1 Результаты и перспективы исследования квазипериодических колебаний микроволнового излучения активных областей Солнца Абрамов-Максимов 1, Г.Б. Гельфрейх 1 Н.И. Кобанов 2, K. Шибасаки 3 1.ГАО РАН, С.Петрбург, Россия 2.ИСЗФ СО РАН, Иркутск, Россия 3. Nobeyama Solar Radio Observatory, Minamisaku, Nagano, Japan

Содержание Приведены основные результаты исследований квазипериодических колебаний радиоизлучения локальных источников радиоизлучения активных областей Солнца,. Анализ проведен на основе обработки радио карт Солнца, полученных на (1) радиогелиографе Нобеяма в Японии на волне 1.76 см. Для обеспечения выделения колебаний в широком диапазоне периодов была разработана (2) методика построения карт с временным усреднением в10 секунд и десятисекундным интервалом между последовательными радио изображениями Солнца. Пространственное разрешение радио карт составляло около10-15 угловых секунд по обеим координатам. Для исследования изменения периодов и амплитуд колебаний использовался (3) вейвлет анализ. В радио источниках над солнечными пятнами были обнаружены серии нестабильных во времени колебаний с периодами от долей минут до нескольких часов. (4) Было проведено сравнения колебаний одного источника в радио и оптическом диапазонах (в линии водорода Hα) на основе одновременных наблюдений. Было показано, что 3-минутные колебания пятен являются проявлением МГД волны, распространяющейся из хромосферы в корону. Проведен анализ (5) влияния вспышечной активности на спектр КПК и показано существенное изменения в спектрах колебаний во время вспышечных процессов, отражающее перестройку структур плазменной атмосферы Солнца в процессе вспышечной активности. (6) направления дальнейших исследований: статистический анализ найденных закономерностей. Поиск и исследование более длинных и более коротких периодов колебаний. Анализ физической природы найденных закономерностей. 2

3 Введение Хотя солнечные пятна принадлежат к одному из наиболее известных и исследованных проявлений солнечной активности, физика плазменных структур пятен и их роли в фундаментальных проблемах астрофизики, таких как нагрев корон звезд, вспышечная активность, цикличность активности, еще далеки от удовлетворительного решения и принадлежат к числу активно исследуемых проблем физики Солнца.

4 Введение Среди современных проблем физики солнечных пятен проблема колебаний принадлежит к одной из наиболее завораживающих и имеющих широкий аспект исследований. Наблюдаемые колебания включают периоды от долей минуты до часов и даже суток, разного уровня добротности и анализируются в широком спектре физических подходов к теории.

5 Введение Наиболее исследованы колебания в пятнах с периодами 3 и 5 минут, проявляющиеся в тени и полутени пятна. Их наблюдения проводились в анализе яркости линий, скоростях, магнитных полях. Как в оптическом диапазоне, так и в далеком ультрафиолете (со спутников). Тем не менее, их физическая природа и роль, связанных с ними МГД колебательных процессов еще далеки от удовлетворительного поннимания. Для значимого продвижения в этом направлении существенно развивать наблюдения КПК, выполняемые параллельно в разных диапазонах, что позволяет анализировать трехмерную структуру колебательного процесса, от фотосферы до короны. Хотя такие исследования уже проводились неоднократно, их объем всё же еще недостаточен и нуждается в пополнении новыми методиками. Одной из них и посвящено данное исследование.

6 Введение Для анализа 3-х мерной структуры колебаний нами анализировались одновременные наблюдения одного и того же пятна в двух диапазонах: (1) Оптические наблюдения пятен на уровне хромосферы в линии водорода Hα (Саянская солнечная обсерватория, ИСЗФ СО РАН, Иркутск) и (2) Микроволновые наблюдения на λ=1.76 см, на основе радио карт Солнца, полученных на радио гелиографе Нобеяма (Япония).

7 Оптические наблюдения Оптические наблюдения колебаний в пятнах были выполнены на Саянской Солненчной Обсерватории (2000 м над уровнем моря) на Горизонтальном солнечном телескопе. Анализировались: продольная компонента магнитного поля (Fe I 6569 A, g=1.4) на уровне фотосферы и продольная компонента скорости в линии H в хромосфере. Щель спектрографа располагалась в направлении EW, проходя через центр пятна. Практически реализованное пространственное разрешение составляло около одной секунды дуги. gained space resolution was about one arc sec covering the line of the slit. Прооводились серии наблюдений длительностью около час каждая с временным разрешением в несколько секунд.The Morlet wvelet of the sixth order as a base function. (The original results are published, see ref.)

Радио наблюдения (1) радиогелиографе Нобеяма в Японии на волне 1.76 см. Для обеспечения выделения колебаний в широком диапазоне периодов была разработана (2) методика построения карт с временным усреднением в10 секунд и десятисекундным интервалом между последовательными радио изображениями Солнца. Пространственное разрешение радио карт составляло около10-15 угловых секунд по обеим координатам. Для исследования изменения периодов и амплитуд колебаний использовался 8

9 Радио наблюдения Для анализа колебаний пятна по радио микроволновому излучению использовался банк данных ежедневных наблюдений на радио гелиографе Нобеяма на волне λ = 1.76 см (f = 17 ГГц) На основе оригинальных исходных данных гелиографа строились изображения полного диска Солнца с интервалом (каденция) 10секунд времени и временным усреднением также 10 секунд. Радио карты строились как в полной интенсивности (параметр Стокса I), так и в круговой поляризации (параметрн Стокса V). Пространственное разрешение этих карт сотавляло от10 до 20 угловых секунд В данной работе преимущественно анализировались источники радиоизлучения солнечных пятен. Для волны 1.76 см повышенное излучение над пятнами генерируется тепловыми электронами нижней короны или переходного слоя на 3-ей гармонике гирочастоты электронов, что соответствует области с магнитным полем напряженностью 2000 Гс.

10 Радио гелиограф Нобеяма

11 Радио гелиограф Нобеяма

Радиогелиограф Нобеяма (январь 2009) 12

Радиогелиограф Нобеямпа (февраль 2009) 13

14

15 Пример радио карт, полученных на радио гелиографе Нобеяма на волне =1.76 см в каналах интенсивности и круговой поляризации (пространтсвенное разрешение угл. сек.)

Нестабильность радио источников 16 (3) вейвлет анализ. В радио источниках над солнечными пятнами были обнаружены серии нестабильных во времени колебаний с периодами от долей минут до нескольких часов. Наблюдения интенсивности пятенных источников как функции времени показали, что им присуща большая нестабильность во времени. С одной стороны, Фурье анализ временных рядов показывает, что в них одновременно проявляются несколько характерных частот колебаний с периодами от долей минут до нескольких часов. Однако смещение по времени анализируемого отрезка кривой временных вариаций показывает значимые измененения спектра. Поэтому для анализа особенностей спектра и его изменений был применен вейвлет анализ, позволяющий количественно анализировать эти изменения. Этим методом было обнаружено, что постоянно происходят изменения как амплитуды колебаний практически на всех раздельных частотах так и самой частоты. по

Методы анализа Поскольку мы изучаем существенно нестационарные колебательные процесы использование Фурье анализа для определения спектра колебаний не эффективно. Чтобы определять такие параметры как стабильность колебаний (частоты, периодов, амплитуды) мы использовали метод вейвлет анализа с возможно различным вариантами анализирующей функции. Пример такого анализа приводится ниже (G. Gelfreikh, Y. Nagovitsyn and E. Nagovitsyna PASJ Vol. 58, (February 25, 2006) 17

18 Типичный вейвлет спектр нестационарных КПК радио источника над большим пятном

19 Динамические (вейвлет) спектры КПК четырех радио источников солнечных пятен, наблюдавшихся

; AR938; NoRH радио карта на =1.76 cm 8 часов наблюдений – спектр КПК

Sun March Изменения КПК в АО NOAA марта, a) Магнитограмма солнечного диска в 17:08 UT. b) Радио карта Солнца на волне λ=1.76 cm в 3:00 UT. 21

22 AR NOAA часов наблюдений

23 7 октября 2002 AR 139

24 NOAA (слабая вспышечная активность) Источник пятна. (7.7 часов наблюдений)

25 NOAA0139 ( слабая вспышечная активность) Вейвлет аналихз различных периодов колебаний (7.7 часоов наблюдений) (3 и 7.5 мин) (20 и 40 мин)

Некоторые выводы Приведенные примеры показывают: - Спектры колебаний радио источников разных пятен существенно различны. - Для многих пятен проявляются хорошо известные по оптическим наблюдениям 3-х и 5-ти минутные моды колебаний. - Можно выделить также группы колебаний с периодами в десятки сотни минут. - Некоторые (немногие ) частоты обладают значительно более высокой стабильностью. - Существуют и более короткие, менее минуты, моды колебаний. Новые данные наблюдений в Нобеяма представлены ниже. 26

Радио карта Солнца 10 апреля 2003 Виден яркий источник над солнечным пятном 27

Магнитограмма Солнца 10 апреля

Вейвлет спектры колебаний радио источника солнечного пятна 10 апреля Для анализа использовались интервалы наблюдений длительностью один час с каденцией и временем усреденния 10 сак. Кроме обычных типичных (хотя и нестабильных) 3-мин и 5-мин, а так же более длительных периодов зарегистрировано регулярное присутствие колебаний с периодом окло 30 сек. Необходим дальенйший анализ с более коротким каденсом. 29

(1) Больше анализа с малым каденсом радио источников солнечных пятен. (2) Определение типичных спектров колебаний, стабильности и др. параметров. (3) Поиск вариантов их физической интерпретации. (4) Сравнение с данными других диапазонов (одновременные наблюдения). Проблемы анализа КПКс короткими периодами ( 1 минуты) 30

ОДНОЙ ИЗ ЦЕНТРАЛЬНЫХ ПРОЛБЕМ КОЛЕБАНИЙ СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН ЯВЛЯЕЕТСЯ ПРИРОДА ИХ УЗКОПОЛОСНОСТИ. ГДЕ РАСПОЛОЖЕНА РЕЗОНАНСНАЯ ОБАТСЬ? ВЫДЕЛЕННЫЕ НАБЛЮДАЕМЫЕ ЧАСТОТЫ ОБРАЗУЮТСЯ В ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ НАБЛЮДАЕМОГО РАДИО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЛИ РАСПОЛОЖЕНА ГДЕ-ТО НИЖЕ ИЛИ ВЫШЕ? ТОГДА МЫ НАБЛЮДАЕМ НЕ МГД КОЛЕБАНИЯ А МГД ВОЛНУ. ЧТОБЫ ОТВЕТИТЬ НА ЭТОТ ВОПРОС ЦЕЛЕСООБРАЗНО ПРОВОДИТЬ ОДНОВРЕМЕННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ АТМОСФЕРЫ СОЛНЦА И ИСКАТЬ ВРЕМЕННЫЕ ЗАДЕРЖКИ. ТАКАЯ ПРОГРАММА БЫЛА ВЫПОЛНЕНА НАМИ ПО ДАННЫМ РАДИОГЕЛИОГРАФА НОБЕЯМА И СОПОСТАВЛЕНИЯ КПК РАДИОИСТОЧНИКОВ С КОЛЕБАНИЯМИ ТЕХ ЖЕ ПЯТЕН НА УРОВНЕ ХРОМОСФЕРЫ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ЛУЧЕВЫХ СКОРОСТЕЙ В ЛИНИИ ВОДОРОДА H-АЛЬФА НА САЯНСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ ИСЗФ СО РАН (ГРУППА Н.И. ККОБАНОВА) ОСОБЕННОСТЬЮ МЕТОДИКИ СОПОСТАВЛЕНИЯ БЫЛО ИСПЕЛЬЗОВАНИЕ ВЕЙВЛЕТ АНАЛИЗА И СРАВНЕНИЕ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ КОЛЕБАНИЙ В ДВУХ ДИАПАЗОНАХ (4) Было проведено сравнения колебаний одного источника в радио и оптическом диапазонах (в линии водорода Hα) на основе одновременных наблюдений. Было показано, что 3-минутные колебания пятен являются проявлением МГД волны, распространяющейся из хромосферы в корону. Проведен анализ 31

32 Положение AR661 F на диске Солнца (N 07,E 20; наблюдения:UT 01:01 – 01:43) и радио карта Солнца Нобема на волне λ=1.76 см

33 Сравнение колебаний в AR 661 F Колебания скорости в хромосфере и радиояркости пятенного источника как функция времени в минутах (слева) и вейвлет спекры этих кривых: периоды (мнуты) как ф-я времени (справа)

Выводы 1) Все зарегистрированные колебания носят нестационарный характер и в спектре видны в виде цугов длинною в несколько, не более десятка периодов. 2) В анализировавшейся области периодов все колебания тяготеют к двум характерным частотам с периодами около 3 и около 5 минут. 3) Наблюдается полное подобие в радио и оптическом спектрах для ветвей трех - минутных колебаний. 4) Для пяти - минутных колебаний имеется разумное подобие только в начальной части спектра. 5) Имеется четко выраженное смещение по времени подобных цугов колебаний в двух диапазонах с запаздыванием радио колебаний примерно на ~100 секунд для трех - минутных мод. 34

35 Сравнение распределения амплитуд колебаний внутри пятна (вдоль щели спектрографа) с особенностями их вейвлет спектров в оптике и в радио Вейвлет спектр колебания радиоисточника пятна (корона) 5-минРаспределение амплитуды колебаний в хромосфере поперек пятна. Вертикальные линии показывают границы тени и полутени 3-минВейвлет спектр колебания продольной компоненты скорости в линии Hα (хромосфера)

36 Сравнение интенсивности и положения 5-минутных колебаний по оптическим наблюдениям с радио В начале и конце наблюдений AR 661, 18 августа 2004 в спектре радио источника хорошо видны два цуга 5-минутных колебаний. Сравнение с оптическими наблюдениями показали, что в это время 5-минутные колебания сместились в тень пятна, в то время как амплитуда колебаний на уровне хромосферы не претерпела существенных изменений. Это подтверждает, что анализ колебаний пятенного радио источника отражает колебания в сильном поле в тени пятна.

37 Физическая природа КПК Наблюдаемые в радио диапазоне КПК естественно являются результатом модуляции физических параметров области, где генерируется радио излучение. В данной работе (наблюдения Нобеяма на волне λ=1.76 см) переходной области хромосфера- корона. Оптические наблюдения непосредственно регистрировали колебательный процесс в хромосфере. Наличие ярко выраженной периодичности в колебаниях предполагает присутствие некоторой резонансной структуры в солнечной плазме для какого-то типа МГД волн. Однако расположение этого резонатора, его размеры могут быть существенно отличными от параметров области, в которой мы исследуем колебания. Мы можем представить 5 основных типов такой ситуации: (1)Резонатор совпадает с областью генерации излучения. (2)Резонатор находится вне области излучения, но где-то по-соседству. (3)Резонатор носит глобальный характер для Солнца. (4)Некоторые плазменные структуры колеблются как целое. (5)Плазменные структуры могут служить фильтрами для некоторых типов колебаний определенных периодов. Указанные возможности реализуются в широком диапазоне периодов КПК радио источниковсолнечных пятен:

38 Заключение В нашей работе реализован новый шаг в анализе физической природы 3-минутных 5-минутных колебаний солнечных пятен, проливающий свет на их трехмерную структурminute ones. Сравнение вейвлет спектров оптических и радио наблюдений позволило проследить распространение волнового процесса от уровня хромосферы до уровня короны и оценить время распространения (около 100 сек) с соответствующей оценкой высоты (около 6000 км) области радио колебаний пятенного источника.

39 QPO and flares Further we illustrate some variations of the parameters of the radio QPOs in ARs with high flare activity. Important point is that the proper sunspot producing QPOs did not show significant changes of the structure at the photospheric level.

40 Природа солнечных вспышек Несмотря на многолетние исследования физическая природа вспышек еще находится в стадии интенсивных исслдедовний, как в теории так и в наблюдениях. Их образование и энерговыделение несомненно связаны со структурой солнечной плазмы. Здесь мы анализируем и иллюстрируем новый наблюдательный метод исследований таких структур по КПК их радио источников

Sun March Изменения КПК в АО NOAA марта, a) Магнитограмма солнечного диска в 17:08 UT. b) Радио карта Солнца на волне λ=1.76 cm в 3:00 UT. 41

42 Изменения во времени координат хвостового пятна радио источника во время вспышки: ( ), V=30 km/c

43 NOAA 9866: ( ), Радио источник головного пятна

44 Динамические спектры КПК радио источников Folloing spot (& flare) Leading spot

Всплеск в АО NOAA и изменения в КПК радио источника Before flare after flare 45

46 Активная область 11 сентября 2001

(c) Временные изменения максимальной яркости АО на волне λ=1.76.cm. (d) Вейвлет спектр второго всплеска в NOAA9608. (e) Изменения спектра КПК радио источника до всплеска. (f) ) Изменения спектра КПК радио источника между двумя всплесками.s. (g) Изменения спектра КПК после всплеска. ©(c) (d) (e) (f) (g) 47

48 Acknolegments We are grateful for financial support of this work by the grants RFBR N Presidium of RAS Sun and the Earth

Благодарю за внимание! 49

50 Publications G.B. Gelfreikh, V. Grechnev, T. Kosugi, K. Shibasaki. Detection of periodic oscillations in sunspot-associated radio sources. Solar Physics 185: , 1999

51 Publications ) Nindos A., Alissandrakis C.E., Gelfreikh G.B., Bogod V.M., Gonticacis C. Spetially resolved microwave oscillations above a sunspot. Astronomy and Astrophysics. 2002, 386,

52 Publications Kiyoto Shibasaki Microwave detection of umbral oscillation in NOAA active region 8156 : diagnostics of temperature temperature minimum in sunspot The Astrophysical Journal, 550, , 2001 April 1.

53 Publications N.I. Kobanov, D.Y. Kolobov, D.V. Makarchik Umbral three-minute oscillations and running penumbral waves. Solar Physics (2006) 238;

54 Publications "Quasi-periodic Oscillations of Microwave Emission in Solar Active Regions". G. Gelfreikh, Y. Nagovitsyn and E. Nagovitsyna PASJ Vol. 58, (February 25, 2006)

55 Publications N. Brynildsen, P. Maltby, O. Kjeldseth- Moe, and K. Wilhem Oscllations in the wings of sunpot transition lines A&A 398, L15-L18 (2003)

56 Publications A. Flurda Transition region oscillations above sunspots A&A 368, (2001)