Космические исследования, 2020, T. 58, № 6, стр. 495-502

1. ВВЕДЕНИЕ

Метод радиозондирования является эффективным средством изучения солнечного ветра в областях его формирования и ускорения. Наиболее информативными с точки зрения получения сведений о солнечном ветре являются частотные флуктуации [1–3], которые имеют ряд преимуществ по сравнению с фазовыми и амплитудными измерениями [4]. Продолжительная серия экспериментов по радиозондированию околосолнечной плазмы сигналами космического аппарата Mars Express в 2013 г. позволила получить данные о флуктуациях частоты для низких и средних гелиоширот и для гелиоцентрических расстояний от 2.1 до 38.2 радиусов Солнца R_s. В работе [5] получены радиальные зависимости интенсивности флуктуаций частоты для измерений, выполненных в эксперименте с КА Mars Express в 2013 г. Установлено, что интенсивность флуктуаций частоты возрастает с уменьшением гелиоцентрического расстояния по закону, близкому к степенному. При этом на фоне регулярного тренда можно наблюдать резкие возрастания флуктуаций. В настоящей работе проведен детальный анализ событий, когда значения интенсивности частотных флуктуаций существенно превышали фоновые значения, типичные для измерений в 2013 г.

Начиная с 1995 г., в окрестности Земли ведутся наблюдения околоземной плазмы с помощью КА Wind, GOES, SOHO. Специальное оборудование, установленное на борту этих аппаратов, позволяет получать сведения о таких характеристиках как протонная концентрация, магнитная индукция, скорость солнечного ветра и др. Также на борту КА SOHO находится коронограф, с помощью которого ведутся оптические наблюдения за Солнцем. В данной работе проведен анализ средних значений и интенсивности флуктуаций протонной концентрации по данным КА Wind.

Результаты наблюдений методами радиозондирования флуктуаций частоты сопоставляются с наблюдениями короны Солнца и околоземной плазмы.

2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

В 2013 г. была выполнена продолжительная серия экспериментов по радиозондированию околосолнечной плазмы сигналами европейского космического аппарата Mars Express (с 4.III.2013 г. по 31.V. 2013 г.).

Внутренние области солнечного ветра просвечивались когерентными сигналами S-диапазона (длина волны λ₁ = 13.1 см) и X-диапазона (длина волны λ₂ = 3.6 см). Прицельные расстояния радиолуча изменялись в пределах от 36.8 до 2.4 R_s при заходе космических аппаратов за Солнце (восточный лимб) и от 2.1 до 38.2 R_s при выходе из-за Солнца (западный лимб).

Положение трассы радиосвязи с КА Mars Express относительно Солнца в картинной плоскости (относительно наблюдателя с Земли) показано на рис. 1.

Рис. 1.

Расстояние до трассы радиосвязи при проведении экспериментов по корональному радиозондированию с использованием КА Mars Express в 2013 г. [5].

В результате эксперимента по радиозондированию получены записи флуктуаций частоты с дискретностью 1 с. Исследуемыми характеристиками зондирующих радиоволн являлись интенсивность и форма временных спектров флуктуаций частоты и амплитуды S- и X-диапазонов, а также дифференциальной частоты этих сигналов.

КА Wind функционирует с 1994 г. по настоящее время и находится в точке Лагранжа L1 в системе Солнце–Земля. Усредненные за 60 с данные о протонной концентрации с 1995 г. находятся в открытом доступе (https://omniweb.sci.gsfc.nasa.gov/ftpbrowser/wind_3dp_1m.html). Авторами выполнен спектральный анализ и получены данные об интенсивности флуктуаций протонной концентрации в окрестности Земли для временного промежутка, когда был осуществлен эксперимент по радиозондированию.

Временные вариации уровня флуктуаций частоты сравнивались с изменениями средних значений протонной концентрации и их флуктуациями. Идентификация индивидуальных событий производилась на основе сопоставления интенсивности флуктуаций частоты радиоволн во внешней короне Солнца с вариациями параметров плазмы в околоземном пространстве, аналогичный подход был реализован в работах [5, 6].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

По данным экспериментов радиозондирования с использованием КА Mars Express, выполненных в 2013 г., получены радиальные зависимости интенсивности флуктуаций частоты для S- и X-диапазонов волн и определено, что радиальное уменьшение средней интенсивности может быть аппроксимировано степенной функцией [5]. При этом для гелиоцентрических расстояний меньше 6 R_s влияние шумов солнечного происхождения на распространение радиоволн имеет минимальный уровень для X-диапазона. Поэтому далее анализируются именно эти данные. На рис. 2 представлена временная зависимость интенсивности флуктуаций частоты X-диапазона. Видно, что на фоне плавных радиальных зависимостей были зарегистрированы значительные локальные повышения флуктуаций частоты зондирующих радиосигналов. Причинами возмущений такого рода могут быть вращающиеся вместе с Солнцем (коротирующие) структуры солнечного ветра [6], а также выбросы корональной массы.

Рис. 2.

Временная зависимость интенсивности флуктуаций частоты X-диапазона по данным радиозондирования сигналами КА Mars Express с 4.III.2013 г. по 31.V.2013 г. Пунктирной линией показан переход от фазы захода КА за Солнце к фазе выхода из-за него.

Для определения фоновых значений интенсивности флуктуаций для 2013 г. была проведена аппроксимация минимальных значений этой характеристики. Результаты представлены на рис. 3, где изображенная в линейном масштабе сплошная кривая соответствует нижней огибающей, найденной аппроксимацией полиномом четвертой степени.

Рис. 3.

Радиальная зависимость интенсивности флуктуаций частоты X-диапазона по данным КА Mars Express с 4.III.2013 г. по 31.V.2013 г.

Сведения обо всех событиях, когда флуктуации частоты значительно превышали фоновые значения, внесены в табл. 1. Из представленных данных видно, что уже в первый день измерений было зарегистрировано сильное увеличение флуктуаций частоты, когда зондировались области сверхкороны, расположенные к востоку от центра Солнца и к северу от экваториальной плоскости.

Авторами был проведен анализ событий, предшествовавших усилению флуктуаций на трассе радиосвязи 4.III.2013 г. По данным коронографа SOHO LASCO C2 получены снимки коронального выброса массы (CME – Coronal Mass Ejection), которые были взяты из каталога CME [8]. На рис. 4а видны возмущенные потоки плазмы, направленные в сторону трассы радиосвязи КА-Земля, проходящей к востоку от Солнца. В каталоге также содержатся сведения о скорости движения CME и его удаленности от Солнца (рис. 4б, 4в), по которым был идентифицирован выброс, ответственный за повышенный уровень флуктуаций на трассе радиосвязи. Интерполируя данные рис. 4б, можно рассчитать примерное местонахождение CME для времени T_s = 63.376 сут, когда зафиксировано увеличение флуктуаций частоты на трассе радиосвязи, расстояние до которой составляло 36.7 R_s. Учитывая деформацию и рассеяние облака, можно утверждать, что причиной повышенных значений флуктуаций частоты на трассе КА-Земля является корональный выброс, зарегистрированный на расстоянии около 2 R_s от центра Солнца 3.III.2013 г. в 20.57 UT. Из представленных данных получена средняя скорость движения коронального выброса 〈V〉 = 562.5 км/с на гелиоцентрических расстояниях от 11 до 36.7 R_s.

Рис. 4.

Иллюстрация CME по данным коронографа SOHO LASCO C2 (а), временная зависимость радиального расстояния центральной части CME (б) и ее скорость (в) по данным наблюдений 3.III.2013 г. и 4.III.2013 г.

На рис. 5 представлены временные зависимости характеристик космической плазмы в окрестности Земли: протонная концентрация (рис. 5а), дисперсия флуктуаций протонной концентрации (рис. 5б) и скорость солнечного ветра (рис. 5в). Резкое увеличение средних значений протонной концентрации (в 4 раза) отмечено 15.III. (DOY 074). Это событие объясняется тем, что спустя 7 дней (четверть периода вращения Солнца) после CME 3 марта, 10.III., область повышенной активности довернулась на 90 градусов, при этом в сторону Земли произошел выброс корональной массы, достигший спутника Wind примерно через 5 сут.

Рис. 5.

Временная зависимость характеристик солнечного ветра в околоземном пространстве по данным КА Wind с 4.III.2013 г. по 31.V.2013 г.

На рис. 6 представлена иллюстрация перемещения возмущенной области солнечной короны за четверть периода вращения Солнца.

Рис. 6.

Снимки Солнца 4.III.2013 г. (а) и 10.III.2013 г. (б) по данным Обсерватории солнечной динамики (SDO).

Сопоставив данные о скорости CME и уверенную корреляцию флуктуаций частоты на трассе радиосвязи с характеристиками околоземной плазмы, можно утверждать, что возмущения, наблюдавшиеся около Солнца и вблизи орбиты Земли, связаны с одной и той же активной областью в солнечной короне.

Самое яркое событие, когда интенсивность флуктуаций частоты на трассе радиосвязи увеличилась почти на полтора порядка, было отмечено при выходе КА Mars Express из-за Солнца на западном лимбе. На рис. 7 показаны временные зависимости флуктуаций частоты X-диапазона для спокойного солнечного ветра (24.IV.2013 г. – DOY 114 – рис. 7а) и возмущенных потоков (рис. 7б), когда интенсивность флуктуаций увеличилась на полтора порядка по сравнению с фоновыми значениями (измерения 03.16…04.02 UT 25.IV.2013 г. – DOY 115). Спустя 50 мин интенсивность флуктуаций снижается, но остается повышенной (в 3 раза). В тот же день с 18.00 до 19.35 UT 25.IV.2013 г. интенсивность флуктуаций частоты соответствуют спокойному солнечному ветру (рис. 7в).

Рис. 7.

Записи флуктуаций частоты сигналов КА Mars Express для 24.IV. и 25.IV.2013 г.

На рис. 8 показаны события, ставшие причиной такого сильного возрастания интенсивности флуктуаций частоты на трассе радиосвязи 25.IV.2013 г. В 00.12 UT на Солнце произошла вспышка, которая была зарегистрирована КА GOES-15, по данным коронографа SOHO LASCO C2 в оптическом диапазоне в 00.48 виден выброс корональной массы в сторону лучевой линии, а в 03.12 CME достигает трассы КА-Земля. При этом в 00.36 в сторону трассы радиосвязи виден еще один выброс, перемещавшийся с большей скоростью, его влияние могло также повлиять на увеличение уровня флуктуаций.

Рис. 8.

Вспышка класса C2.6 по данным КА GOES-15 (а) и CME по данным коронографа SOHO LASCO C2 (б) 25.IV.2013 г.

Начиная с 20.IV.2013 г., ежедневно наблюдались солнечные вспышки класса C и M из одной и той же области короны. На рис. 9б, 9в эта область отмечена кругами. Прямоугольниками отмечены области, из которых практически в одно и то же время происходят выбросы корональной массы, направленные на трассу. Такая особенность обусловлена, по-видимому, тем, что указанные области являются частями общей магнитной структуры арочного вида, а нестационарные процессы происходят несимметричным образом.

Рис. 9.

CME по данным коронографа SOHO LASCO C2 20.IV.2013 г. (а) и снимки короны Солнца по данным SDO 20.IV.2013 г. (б) и 25.IV.2013 г. (в).

Области располагались на видимой с Земли стороне Солнца примерно с 16 апреля (DOY 106), и можно видеть возрастание средних значений и дисперсии протонной концентрации в околоземной плазме примерно через 4–5 сут. Эти значения достигают максимума 24.IV.2013 г. (DOY 114), возрастая более чем на порядок (CME 20.IV.2013 г. на рис. 9а). Спустя 5 дней эти же области переместились на западную сторону (рис. 9в), когда наблюдались сильные возмущения флуктуаций частоты радиоволн 25.IV.2013 г.

Ранее, 22.IV.2013 г. (DOY 112) и 24.IV.2013 г. (DOY 114) также наблюдались повышенные уровни флуктуаций частоты на трассе радиосвязи КА-Земля. На рис. 10 представлены наблюдения вспышек в рентгеновском диапазоне (рис. 10а, 10б) и выбросов корональной массы в оптическом диапазоне (рис. 10в, 10г) из одной и той же области, что и выброс 25.IV.2013 г. Положение трассы в картинной плоскости на момент прохождения CME показано стрелками. Отметим, что выбросы направлены в сторону Земли, и эффекты наблюдаются и на Земле, и на трассе радиосвязи. Запаздывание по времени измерений у Земли составляет примерно двое суток.

Рис. 10.

Иллюстрация вспышек в рентгеновском диапазоне и СМЕ 22.IV.2013 г. (а, в) и 24.IV.2013 г. (б, г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прохождение через трассу радиосвязи возмущенных плазменных структур вызывает заметное возрастание интенсивности флуктуаций частоты сигналов по сравнению с фоновыми значениями. В период проведения экспериментов радиозондирования околосолнечной плазмы с помощью КА Mars Express в 2013 г. было зафиксировано 5 событий, когда флуктуации усиливались более чем в 5 раз. Также отмечены 2 наблюдения, когда интенсивность флуктуаций возрастала почти на порядок. Совместный анализ данных радиопросвечивания достаточной длительности и околоземных измерений, выполненных с помощью КА Wind, позволяет проследить серию выбросов вспышечного происхождения, возникающих в одной и той же активной области короны. Вследствие вращения Солнца выбросы наблюдаются сначала на восточном лимбе, затем в околоземном пространстве и после этого на западном лимбе. Временное запаздывание между возмущениями в околоземном солнечном ветре и на восточном лимбе оказывается систематически больше, чем между возмущениями на орбите Земли и на западном лимбе, что подтверждает их связь с одной и той же активной магнитной структурой в короне.

Работа выполнена в рамках Государственного задания № 0030-2019-0008.