RU2738771C1

RU2738771C1 - Method of measuring oscillation propagation time in the solar atmosphere

Info

Publication number: RU2738771C1
Application number: RU2020118987A
Authority: RU
Inventors: Андрей Алексеевич Челпанов; Николай Илларионович Кобанов
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2020-12-16

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: invention can be used to measure oscillation propagation time in a solar atmosphere. Essence of invention consists in fact that detecting dominant frequencies in oscillations at different altitude levels, subsequent narrow-band filtering of signals at dominating frequency and measurement of time delay between filtered signals belonging to different heights, using modulation by solar flare of amplitude of oscillations constantly present in lower layers of solar atmosphere, formed trains of signals of increased amplitude are tracked successively on each of the altitude levels and delay is measured from the moments of crossing signals in trains of zero line, after which the average propagation time is determined from a given mathematical expression.

EFFECT: possibility of simplifying the procedure for measuring time delay of signals, as well as elimination of ambiguities arising during measurements.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области физики и может быть использовано в астрофизике при исследовании процессов переноса энергии в атмосфере Солнца и звезд с помощью волновых механизмов. Многообразие типов колебаний и волн в солнечной атмосфере объединено под общим наименованием магнитогидродинамические (МГД) колебания и волны. Измерение их характеристик и времени распространения в различных солнечных структурах широко используется для изучения физических свойств среды, в которой они наблюдаются. По аналогии с земной сейсмологией соответствующие разделы науки именуются «гелиосейсмология» или более конкретно, например, «корональная сейсмология» [1]. Для многих линий солнечного спектра установлены высоты их образования в солнечной атмосфере, поэтому колебания на разных высотах солнечной атмосферы изучают с использованием различных спектральных линий.The invention relates to the field of physics and can be used in astrophysics in the study of energy transfer processes in the atmosphere of the Sun and stars using wave mechanisms. The variety of types of oscillations and waves in the solar atmosphere is combined under the general name magnetohydrodynamic (MHD) oscillations and waves. Measurement of their characteristics and propagation time in various solar structures is widely used to study the physical properties of the environment in which they are observed. By analogy with terrestrial seismology, the relevant branches of science are called "helioseismology" or more specifically, for example, "coronal seismology" [1]. For many lines of the solar spectrum, the heights of their formation in the solar atmosphere have been established; therefore, fluctuations at different heights of the solar atmosphere are studied using different spectral lines.

Обычно измерения времени распространения колебаний в солнечной атмосфере основаны на предварительном выявлении доминирующих частот колебаний на разных высотных уровнях. После этого сигналы подвергают узкополосной фильтрации для того чтобы исключить влияние сопутствующих гармоник и измеряют фазовую задержку между соответствующей парой сигналов.Usually, measurements of the propagation time of oscillations in the solar atmosphere are based on preliminary identification of the dominant oscillation frequencies at different altitude levels. After that, the signals are subjected to narrow-band filtering in order to exclude the influence of accompanying harmonics and the phase delay between the corresponding pair of signals is measured.

Наиболее близким по сути технического решения является способ измерения временного запаздывания колебаний над солнечными пятнами и факелами, изложенный в [2], fig. 17, fig. 20.The closest in essence to the technical solution is the method for measuring the time lag of oscillations above sunspots and torches, described in [2], fig. 17, fig. twenty.

В известном способе [2] (именуемом далее прототип) используется узкополосная фильтрация на доминирующих частотах (в нижней солнечной атмосфере это колебания на частотах 3.3 и 5.6 миллигерц) наблюдаемых сигналов в разных спектральных линиях и последующее измерение фазового запаздывания на разных интервалах временной серии. Из анализа Рис. 17 и 20 прототипа следует, что фазовая разность, измеряемая на разных участках временной серии, значительно различается, что вносит неопределенность в измерения (от 1,5 до 3 раз).The known method [2] (hereinafter referred to as the prototype) uses narrow-band filtering at dominant frequencies (in the lower solar atmosphere, these are oscillations at frequencies of 3.3 and 5.6 millihertz) of the observed signals in different spectral lines and subsequent measurement of the phase delay at different intervals of the time series. From the analysis of Fig. 17 and 20 of the prototype, it follows that the phase difference, measured in different parts of the time series, varies significantly, which introduces uncertainty in the measurements (from 1.5 to 3 times).

В предлагаемом способе используется тот факт, что солнечная вспышка модулирует амплитуды колебаний с частотами 3.3 и 5.6 миллигерц. Модуляция выражается в резком усилении до 5 раз амплитуды этих колебаний. Образовавшиеся компактные цуги колебаний на этих частотах легко прослеживаются при распространении колебаний снизу в верхние слои солнечной атмосферы (см. Фиг. 5, Фиг. 6 в [3]).The proposed method uses the fact that a solar flare modulates the amplitudes of oscillations with frequencies of 3.3 and 5.6 millihertz. Modulation is expressed in a sharp increase up to 5 times the amplitude of these oscillations. The formed compact trains of oscillations at these frequencies are easily traced during the propagation of oscillations from below into the upper layers of the solar atmosphere (see Fig. 5, Fig. 6 in [3]).

После выявления цугов в сигналах на разных высотных уровнях измеряют запаздывание сигналов между соседними уровнями. Для этого фиксируют моменты пересечения сравниваемыми сигналами нулевой линии (Рис. 1) и значение времени распространения определяют по формулеAfter detecting trains in the signals at different altitude levels, the signal delay between adjacent levels is measured. For this, the moments of crossing the zero line by the compared signals are fixed (Fig. 1) and the value of the propagation time is determined by the formula

где Δt_i - величина запаздывания для каждой пары пересечений сигналами цугов нулевой линии; n - количество пар пересечений в цуге.where Δt _i - the value of the delay for each pair of intersections of the signal trains of the zero line; n is the number of pairs of intersections in the train.

Крутизна кривых, отображающих сравниваемые сигналы максимальна в моменты пересечения нулевой линии, и это приводит к повышению точности в определении времени распространения. Определение задержки по экстремумам сигналов (вершины синусоиды) внесло бы больше ошибок из-за того, что на таких участках сигнал параллелен оси времени.The slope of the curves representing the compared signals is maximum at the moments of crossing the zero line, and this leads to an increase in the accuracy in determining the propagation time. Determining the delay based on the extrema of the signals (the tops of the sinusoid) would introduce more errors due to the fact that in such areas the signal is parallel to the time axis.

Использование метода кросс-корреляции между сигналами также содержит дополнительные ошибки из-за отличия амплитуд на разных участках цуга.The use of the method of cross-correlation between signals also contains additional errors due to the difference in amplitudes at different parts of the train.

На Рис. 1 представлены реальные сигналы интенсивности на частоте 3.3 миллигерца в спектральных линиях с центральной длиной волны 171 ангстрем (ближняя корона) и 304 ангстрема (переходная зона между хромосферой и короной). Сигналы получены после узкополосной фильтрации на частоте 3.3±0,5 миллигерц для временной серии длительностью 46 минут. На Рис. 1 отмечены 6 пар пересечений сигналами нулевой линии, указано время по Гринвичу (мировое). Вертикальная штриховая линия показывает время начала вспышки, которая продолжалась около 20 минут. Вспышка была очень малой и согласно принятой классификации не превышала 2 единиц в классе В. Тем не менее она вызвала значительное усиление амплитуды колебаний (до пяти раз) на выделенных частотах. Можно усмотреть некоторую аналогию с геофизикой, когда небольшие взрывы в скважинах используются для исследования свойств залегающих пород, т.к. при этом взрывное возмущение также резко активизирует колебания на собственных частотах в окружающих скважину породах. Предлагаемый способ в сравнении с известными решениями позволяет уменьшить неопределенность измерений от 1.5 до 3 раз.In Fig. 1 shows real intensity signals at a frequency of 3.3 millihertz in spectral lines with a central wavelength of 171 angstroms (near corona) and 304 angstroms (transition zone between the chromosphere and corona). The signals were obtained after narrow-band filtering at a frequency of 3.3 ± 0.5 millihertz for a 46-minute time series. In Fig. 1 marks 6 pairs of zero-line crossings, GMT (UTC). The vertical dashed line shows the start time of the outbreak, which lasted for about 20 minutes. The flash was very small and, according to the accepted classification, did not exceed 2 units in class B. Nevertheless, it caused a significant increase in the amplitude of oscillations (up to five times) at the selected frequencies. You can see some analogy with geophysics, when small explosions in wells are used to study the properties of the underlying rocks, because in this case, the explosive disturbance also sharply activates oscillations at natural frequencies in the rocks surrounding the well. The proposed method in comparison with the known solutions can reduce the measurement uncertainty from 1.5 to 3 times.

Список использованной литературыList of used literature

1) Степанов А.В., Зайцев В.В., Накаряков В.М.. Корональная сейсмология, Успехи Физических Наук, 182, 999-1005 (2012).1) Stepanov A.V., Zaitsev V.V., Nakaryakov V.M. Coronal seismology, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 182, 999-1005 (2012).

2) Kobanov, N.; Kolobov, D.; Kustov, A.; Chupin, S.; Chelpanov, A., 2013, Solar Physics,. 284,. 379K "Direct Measurement Results of the Time Lag of LOS-Velocity Oscillations Between Two Heights in Solar Faculae and Sunspots".2) Kobanov, N .; Kolobov, D .; Kustov, A .; Chupin, S .; Chelpanov, A., 2013, Solar Physics ,. 284 ,. 379K "Direct Measurement Results of the Time Lag of LOS-Velocity Oscillations Between Two Heights in Solar Faculae and Sunspots".

3) Chelpanov, A.A.; Kobanov, N.I, Solar Physics (2018) Vol 293, 157 "Oscillations Accompanying a He i 10830

Negative Flare in a Solar Facula" DOI: org/10.1007/S11207-018-1378-2.3) Chelpanov, AA; Kobanov, NI, Solar Physics (2018) Vol 293, 157 "Oscillations Accompanying a He i 10830

Negative Flare in a Solar Facula "DOI: org / 10.1007 / S11207-018-1378-2.

Claims

A method for measuring the propagation time of oscillations in the solar atmosphere, including the identification of dominant frequencies in oscillations at different altitude levels, subsequent narrow-band filtering of signals at the dominant frequency and measurement of the time delay between filtered signals belonging to different altitudes, characterized in that for this purpose, amplitude modulation by a solar flash is used oscillations that are constantly present in the lower layers of the solar atmosphere, the formed trains of high-amplitude signals are traced sequentially at each of the altitude levels and the delay is measured at the times of intersection of the signals in the trains of the baseline, while the average value of the propagation time is determined by the formula

where Δt _i is the value of the delay for each pair of crossing the zero line trains by signals; n is the number of pairs of signal crossings in the zero line train.