ИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК
В КРЫМСКОЙ АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ

Н.Н.Степанян

stepanyan (48K)

Солнечные вспышки - наиболее мощное проявление солнечной активности. Их влияние распространяется не только на атмосферу Солнца, но и на всю солнечную систему.

Одной из первых задач нашей обсерватории было создание комплекса аппаратуры, позволяющего всесторонне изучить природу вспышек, их воздействие на окружающую среду. Такой комплекс был постепенно создан. Можно уверенно сказать, что нет ни одной обсерватории в мире, где бы так широко как в Крыму изучались вспышки, их влияние на окружающую астмосферу, межпланетное пространство и Землю. В каждой из этих областей в Крыму выполнено множество пионерских работ.

Изучив только работы о вспышках, опубликованные в Известиях Крымской астрофизической обсерватории, можно получить полную картину развития знаний о вспышках и представить современное состояние проблемы.

Наблюдения Солнца и патруль вспышек по международным и собственным программам велись в Симеизе еще до Великой Отечественной Войны. В 3-ем томе Известий КрАО опубликованы наблюдения вспышек с января по сентябрь 1941. Наблюдали Е.Ф.Ушакова-Шапошникова, В.Г.Шапошников, погибший затем на фронте, и Б.М.Рубашов. В таблицах наблюдений фигурируют названия "извержения" (к началу пятидесятых годов они стали называться хромосферными вспышками, а в семидесятых годах - солнечными вспышками), темные флоккулы, ставшие затем волокнами, яркие флоккулы. После войны в патрульных наблюдениях участвовали Е.Ф.Шапошникова, К.К.Чуваев, Э.Р.Мустель, С.Б.Пикельнер, .В.Суханова.

Первоначально наблюдения велись на стандартном спектрогелиоскопе Хелла. Затем к ним прибавились фотографические спектральные наблюдения (спектрогелиоскоп + спектрограф).А.Б.Северным и А.Б.Гильваргом был изготовлен ИПФ с полосой 1.8 Å. Вскоре полоса фильтра была уменьшена до 0.8 Å. Для наблюдений с этим фильтром был собран коронограф типа Лио на оптической скамье. В создании этих приборов большое участие принял механик П.Т.Козлов.

И вот с этим оборудованием по монохроматическим и спектральным наблюдениям были начаты исследования вспышек Э.Р.Мустелем и А.Б.Северным. Их первая работа на эту тему была опубликована в Y томе Изв. КрАО (1950). А в YII томе эти исследования продолжила И.И.Назарова (Ныне Проник). За симеизский период исследования вспышек были получены результаты, определившие на многие годы развитие физики вспышек. По поднятию крыльев линий Н и К СаII после максимума вспышек Э.Р.Мустелем и А.Б.Северным был сделан вывод о корпускулярных потоках от вспышек. Эта работа была естественным продолжением теоретических исследований корпускулярных потоков Э.Р.Мустеля. По контурам водородных и кальциенвых линий были найдены механизмы расширения этих линий и определены физические условия во вспышках, расчитаны контуры Lα и Lβ и определено влияние этого излучения на ионосферу Земли. Впервые было сказано о неоднородности вспышки и свечении гелия и кальция в разных местах. По монохроматическим наблюдениям в Нα была определена полная энергия вспышки в Нα и оценена минимальная сила электрического тока, необходимого для выделения джоулева тепла, способного превратиться в излучение. Высказана возможность связи излучения вспышек с ядерными процессами. В течение последующих 40 лет эти результаты повторялись и подтверждались на многих обсерваториях и в космических экспериментах на основе несравненно более мощной технической базы.

В 1951 году начались наблюдения в Партизанском (теперь Научный) на внезатменном коронографе КГ-1. Основным наблюдателем на нем многие годы была Е.Ф.Шапошникова, беззаветно преданная Солнцу и его наблюдениям ученый. На коронографе наблюдали С.И.Гопасюк, Т.Т.Цап, Э.Е.Дубов, М.Б.Огирь, А.Н.Бабин, Л.Г.Карташова, Н.Е.Стешенко, С.И.Абраменко, Н.К.Зыскина. Сейчас на нем наблюдают В.Б.Юрчишин, В.И.Абраменко и Т.Н.Стрельник.

Многочасовые ежедневные наблюдения на КГ-1 с фильтром Нα позволили накопить громадный наблюдательный материал. Он был использован для исследования развития вспышек и характера наблюдаемых в них движений и выбросов, изменений в хромосфере, наблюдаемых до и после вспышек, закономерностей во временной и пространственной локализации вспышек. Были сформулированы основные типы развития вспышек. Показано, что в начальной стадии вспышки возникают ударные волны. Детально исследованы выбросы, сопровождающие все стадии вспышки. Показано влияние вспышек одной активной области на возникновение их в соседних областях. Найдены временные цуги вспышек. Наблюдаемый характер движения лимбовых вспышек был объяснен геометрией скрещенных магнитных полей, окружающих нейтральную точку, в которой возникает вспышка в результате пинч-эффекта.

В 1954 году вошел в строй Башенный солнечный телескоп БСТ-1, оснащенный двумя спектрографами и двойным спектрогелиографом. Работы на нем велись под руководством А.Б.Северного. Многие солнечники моего и более молодого поколения из разных обсерваторий многих стран прошли на этом телескопе большую школу А.Б.Северного, определившую их путь в науке и жизни. Из сотрудников КрАО здесь работали ( а часть из них работает и сейчас) Г.С.Иванов-Холодный, В.Л.Хохлова, В.Е.Степанов, Н.Н.Степанян, С.И.Гопасюк, Т.Т.Цап, Н.В.Стешенко, Э.А.Барановский, Т.В.Казачевская, Н.Н.Петрова, А.Н.Коваль, Т.П.Хромова, М.Д.Гусейнов, М.С.Соляникова, В.А.Котов, В.И.Ханейчук, В.Б.Юрчишин. Создавали новые приборы,а также обслуживали телескоп Н.С.Никулин, Г.А.Монин, Е.П.Николаев, Мартынчук, Л.Ф. Бежко, А.Ф.Лагутин, Л.В.Дидковский, И.П.Залесов, Л.Н.Стуков, А.М.Чижов, механики В.Н.Красненко, В.И.Жиров, П.Г.Назаров, А.П.Власов, Э.П.Капсудин, Ю.А.Горюнов, А.С.Белов.

В 1955  году А.Б.Северный сформулировал наиболее важные характеристики вспышек, определенные в КрАО к этому времени и требующие дальнейшего изучения. Это концентрация непрерывной эмиссии в малых ядрах (усы, полоски непрерывной эмиссии, тонкая структура вспышек); истечение корускулярных потоков при вспышках; взрыв и распространение ударной волны на ранней стадии развития вспышки.

Тонкая структура линейчатой эмиссии вспышек была обнаружена впервых же наблюдениях на БСТ-1. Тогда же были спектроскопически открыты тонкоструктурные образования "усы", тесно связанные со вспышками и выходом новых магнитных потоков. Без преувеличения можно сказать, что в КрАО А.Б.Северным, А.Н.Коваль и А.Н.Бабиным получена вся известная сейчас информация об усах. Помимо спектроскопических и эволюционных характеристик, была найдена и изучена линейная поляризация усов, разработаны механизмы этого явления.

Еще один элемент тонкой структуры - ядра непрерывной эмиссии, также связанный со вспышками. Изучение изменения этой эмиссии с длиной волны позволило разработать механизм такой эмиссии и определить физические условия ее возникновения.

Создание магнитографа продольной компоненты , а затем и полного вектора на БСТ-1, дало начало изучению связи вспышек с магнитными полями. Об этом говорится в докладе С.И.Гопасюка.

Спектроскопические работы были перенесены на горизонтальный телескоп ГСТ, а затем на башенный БСТ-2. На этих телескопах работали и работают Э.А.Барановский, М.Дж.Гусейнов, А.Н.Коваль, Н.Н.Степанян, А.В.Шумко, З.А.Щербакова, Г.А.Суница.

Новым шагом в исследовании вспышек было оснащение БСТ-1 ( а затем ГСТ и БСТ-2) решеткой-эшеле. Получение за одну экспозицию всего видимого спектра позволило изучить характер распространения возбуждения от вспышки в области верхняя хромосфера - фотосфера, определить физические условия на разных высотах в атмосфере Солнца и их изменение в течение вспышки, найти механизмы расширения линий водорода, гелия, кальция.

В последующие годы был создан коронограф типа Никольского (КГ-2), позволяющий получать одновременно спектр деталей на Солнце и их изображение в линии Нα с высоким пространственным разрешением. Его создание и работа связаны с именами Э.Е.Дубова и А.Н.Бабина. На этом телескопе выполнены прецизионные работы по изучению тонкой структуры вспышек, обнаружению и изучению линейной поляризации эмиссии вспышек, усов и ядер непрерывной эмиссии.

Многие вспышки изучались по наблюдениям на разных приборах. О характере движений во вспышечных петлях сделано заключение по одновременным наблюдениям со спектрографом и фильтром Нα. По различиям колебаний яркости вспышки в линиях Нα и К СаII был сделан вывод о возбуждении вспышек электронным ударом. Очень плодотворными были одновременные Нα и магнитные измерения.

Пока что я говорила только о наблюдениях вспышек в видимой области спектра. С пятидесятых годов в КрАО велось изучение вспышек в радиодиапазоне (поток радиоизлучения Солнца на нескольких длинах волн). Ионосферная и магнитная станции регистрировали отклик вспышек в ионосфере и магнитном поле Земли. Нейтронный монитор давал сведения об эффекте вспышек в космических лучах. В этих областях исследований работали ( а некоторые из них работают и сейчас) Н.Н.Ерюшев, Н.А.Савич И.Н.Одинцова, И.Г.Моисеев, А.А.Степанян, А.С.Дворяшин, Ю.И.Виноградов, Ю.И.Нешпор, Б.М.Владимирский, Г.Ф.Елисеев, Л.А.Елисеева, Л.С.Левицкий, А.К.Панкратов, Ю.Ф.Юровский, Н.С.Нестеров, А.В.Степанов, Л.И.Цветков, Н.А.Абраменко, А.И.Смирнов. Следует отметить, что практически все приборы были изготовлены в КрАО.

Исследование ионосферы проходило в трех различных направлениях: изучение верхней ионосферы методом зондирования, нижней ионосферы методом регистрации атмосферных помех в длинноволновом диапазоне и измерение поглощения в нижней ионосфере методом регистрации интенсивности космического радиозлучения. Все эти методы позволяли проводить исследования воздействия солнечных вспышек как на верхнюю, так и на нижнюю ионосферу, а по характеру воздействия изучать и сами солнечные вспышки.

Очень плодотворными оказались комплексные исследования, использующие наблюдения одних и тех же событий разными методами. На их основе был сделан вывод о наличии и природе межпланетного магнитного поля. Найдено, что рентгеновское излучение вспышек простирается до единиц ангстремов. Источники жесткого рентгена (по ионосферным и радио данным) были идентифицированы с отдельными, конкретными узлами вспышек в Нα. Получено, что спектральное распределение в рентгеновской области меняется от вспышки к вспышке. Были найдены механизмы излучения вспышек в ультрафиолетовой и рентгеновской областях. Показано, что за возмущение в ионосфере в большей степени ответственно рентгеновское излучение вспышек, чем излученик Лаймановской серии водорода. Эти результаты были получены в то время, когда еще не летали космические аппараты и не было наблюдений из космоса с пространственным разрешением. Особенно успешными были наблюдения во время МГГ (Международный Геофизический Год, 1957 - 1958г.).

Заключение об отсутствии оснований для разделения вспышек на протонные и непротонные - еще один пример комплексного подхода к решению проблемы. Этот вывод сделан на основании Нα и спектральных наблюдений, по радио- и ионосферным данным и данным о космических лучах.

Важной стороной комплексных исследований было и то, что вспышки были использованы в качестве зонда межпланетной среды и земной ионосферы.

Полученные из наблюдений данные о вспышках и их влиянии на окружающую среду были использованы в КрАО для количественного определения параметров светящегося вещества вспышки, ее движений, создания механизмов возникновения вспышки, оценки возможностей протекания ядерных реакций во вспышке. Этим вопросам посвящены работы А.Б.Северного, Э.Е.Дубова, С.Б.Пикельнера, В.Г.Буславского, В.П.Шабанского, С.И.Гопасюка, Э.А.Барановского, Б.М.Владимирского, А.Г.Косовичева, А.В.Степанова.

Результатом наблюдений стали не только теоретические модели вспышек, но и разработанные методы прогноза вспышек. В течение нескольких лет они применялись на практике во время пилотируемых полетов спутников. В это время объявлялся "Алерт Северного", все обсерватории СССР присылали в КрАО свои радио- и оптические наблюдения. Ежедневно у А.Б.Северного собирались солнечники - наблюдатели и на основе своих и присланных наблюдений давали прогноз вспышек на 3 дня вперед по трехбальной системе. При прогнозе "3" космонавтов должны были сажать на землю. В частности, такой прогноз был дан при полете космонавта Берегового. И действительно, через 3 часа после его приземления произошла вспышка балла 3, представлявшая смертельную опасность для человека в космосе. В общем, оправдываемость наших прогнозов составляла 85-90%. Разработанные в КрАО прогностические методики и опыт наблюдателей могут быть полезны при создании Национального Украинского Прогностического Центра.

Остановлюсь на некоторых характерных чертах исследований вспышек в КрАО. Во-первых, это строгость в выборе материала и обоснование выводов на большом его объеме. Так, например, работа С.И.Гопасюка и М.Б.Огирь "О связи вспышек с выбросами на Солнце" основана на Нα наблюдениях 330 вспышек на диске Солнца и 180 вспышек на лимбе, проведенных на коронографе КрАО.

Второе, что хотелось бы отметить, это наличие большого количества ювелирных наблюдений, каждое из которых обнаруживает новые и неожиданные явления на Солнце. Таковы наблюдения усов, проведенные А.Н.Бабиным во время солнечного затмения. Наблюдая покрытие усов краем Луны, он определил размер усов (0.6 сек дуги), яркость, составляющую 150% невозмущенного континуума, и почти прямоугольное распределение яркости в усах. Наблюдения М.Б.Огирь двухленточных вспышек дали новые сведения о тонкой структуре вспышечных лент. Л.Г.Карташова проследила изменение цепочек флоккулов перед вспышками. В работе А.Н.Коваль и Н.Н.Степанян приводятся результаты наблюдений смещений вертикальной поверхности раздела полярностей над пятном с δ -конфигурацией, происходившие во время вспышки. А.Н.Бабин и А.Н.Коваль наблюдали существенное различие в степени линейной поляризации близких элементов усов.

В завершение я хочу рассказать об уникальных наблюдениях вспышки в белом свете, включая начальную стадию ее развития, проведенные впервые в мире спектроскопически и с Нα фильтром Бабиным, Коваль и Огирь 15 июня 1991 года. Вспышка была обнаружена на изображении Солнца в белом свете в виде двух очагов свечения голубоватого цвета. Были сняты спектрограммы в области линии Нα. На первой спектрограмме зарегистрированы выбросы светящегося вещества с лучевыми скоростями от 300 до 2000 км/сек. В спектре ядра белой вспышки практически полностью отсутствовали солнечные линии поглощения, а в эмиссии наблюдались линии, с очень высоким потенциалом возбуждения, никогда ранее во вспышках не наблюдавшиеся. Крылья линии Нα протянулись на 40 Å. Яркость непрерывного спектра резко возрастала в коротковолновую часть спектра. По Нα наблюдениям, начатым через 6 минут после начала вспышки, прослежена ее дальнейшая эволюция, движение узлов и возникновение грандиозной системы петель. Вспышечный процесс захватил практически всю активную область (более 200 000 км), но в отдельных ее частях одновременно наблюдались разные стадии развития вспышки. Общая продолжительность вспышки составила около 6 часов, а система петель существовала еще дольше. Обработка наблюдений позволила создать модель и определить физические параметры, характерные для белых вспышек. Особенность модели - наличие очень горячего слоя (24000 К), расположенного в нижней фотосфере.

И последнее общее замечание. Наземные всесторонние наблюдения вспышек таят в себе еще большие возможности познания процессов, протекающих на Солнце, в межпланетной среде и на Земле. Их ценность велика сама по себе . Кроме того, следует отметить, что исследования Солнца из космоса без одновременных наземных наблюдений не могут быть эффективными.