sw09

Солнце – уникальный для науки объект,
единственная звезда, поверхность который мы
можем наблюдать.
рис.1 Солнце 6 августа 2010г
Для физиков – это лаборатория, где вещество хотя и нельзя потрогать,
но узнать о нём можно очень много, если его наблюдать
и исследовать с помощью спектрального анализа.
рис.2 Фраунгоферов спектр
Линии поглощения, образующиеся в видимой нами плазме Солнца, зависят от:
– температуры,
– лучевых скоростей,
– магнитных полей,
– химического и ионного состава и т.д.
Профили линий меняют
– интенсивность
– уширение
– форму (симметрию)
– число компонент для линий, расщепленных в магнитном поле
– поляризацию
– положение в шкале длин волн
– соотношение друг с другом в зависимости от параметров атомных переходов
рис. 3 Участок спектра
 6296 – 6303 АА
вблизи пятна
для двух направлений
круговой поляризации
•
•
•
•
•
Астрофизики получают информацию, сравнивая профили линий:
наблюдаемые и
полученные из расчетов по моделям.
Разница между наблюдаемыми и расчетными профилями получается от
несовершенства алгоритмов расчета
неточного знания параметров линий, атомных параметров
неточного знания моделей – т.е. математического описания состояния плазмы в
наблюдаемой области.
рис.4 Cравнение профилей из атласа Гуртовенко и др. с расчетными:
Профили линии Ni I 6007.3 A для пяти положений
в направлении центр - край на диске Солнца:
- наблюдаемые
- рассчитанные
Таким образом,
программа,
позволяющая варьировать
физические условия в плазме
и рассчитывать результирующие
профили линий,
становится таким же важным
инструментом, для изучения
Солнца,
как и сам телескоп в паре
со спектрографом.
рис.5
Башенный солнечный телескоп
БСТ-1 обсерватории КрАО
Программный
комплекс
SunWorld
позволяет
рассчитывать профили линий поглощения в
присутствии магнитного поля для областей с
произвольно заданным распределением с глубиной
температуры и других физических параметров.
Кроме того, он может восстанавливать ход с высотой
газового и электронного давлений по заданному ходу
температуры с помощью формул ионизационного и
гидростатического равновесий.
В настоящее время
единственным в РФ
такой
комплекс
является
Сложная структура программы
Каждое
физическое
исследование
обычно
требует
индивидуального подхода – нужно считать другой набор
параметров, в другом порядке, по-новому организовывать
сравнение результатов расчетов и наблюдений и т.д. В связи с
этим программа не может быть написана раз и навсегда, она
под каждый новый проект требует доработок.
Кроме того, в программу включено достаточно сервисных функций:
•
•
•
•
•
рисование профилей спектральных линий (профилей Стокса в случае
присутствия магнитного поля),
рисование произвольных графиков,
база данных спектральных линий,
работа с данными в текстовом виде, в частности, в виде текстовых
таблиц,
расчет мультиплетной структуры линий и т.д.
SunWorld умеет считать структуру расщепления линии в магнитном поле.
Можно создать текст с символьной записью обозначений переходов, как на этом
примере, и SunWorld посчитает расщепеления и покажет их в графическом виде:
lewel_lo
level_up
At+Ion Lamb
-------------------------------------b 4D 1/2
z 4Po 1/2 ! FE II 6149.2
2S 1/2
2Po 1/2 ! SI II 6371.36
2Po 1/2
2S 1/2 ! NA I 6154.23
z 5P 1
e 5D 0
! FE I 6302.5
z 5P 1
e 5D 1
! FE I 6336.8
2D 3/2
2P 1/2 ! BA II 6496
2D 3/2
2P 3/2 ! BA II 5853
y 5Fo 1
f 5P 1
! FE I 5197.93
y 5Fo 1
g 5D 1
! FE I 5705.48
a 5F 1
z 7Fo 1
! FE I 6625.039
y 5Do 1
e 5F 1
! FE I 7038.251
a 4D 1/2
z 4Po 1/2 ! V I 6111.65
a 4D 1/2
z 4Po 3/2 ! V I 6058.17
a 4D 3/2
z 4Po 1/2 ! V I 6135.37
a 4D 3/2
z 4Po 3/2 ! V I 6081.45
рис.6 Структуры расщепления линий,
заданных символьными обозначениями
атомных переходов
При обычных расчетах профилей SunWorld выбирает атомные параметры линий из
базы данных и по ним рассчитывает структуры расщепления линий.
База данных
В SunWorld есть база данных. Наиболее полезная таблица в базе данных - это
таблица спектральных линий. Она позволяет задавать разные критерии отбора
и в диалоге подбирать линии для той или иной физической задачи.
Рис.7 Выборка содержит линии ионизованного железа Fe II, для которых
эквивалентная ширина в тени пятна (столбец WSW) превышает 3 мА.
Для пополнения базы данных - импорта данных о линиях из внешних
источников SunWorld имеет специальные полуавтоматизированные процедуры.
Анализ моделей фотосферы
SunWorld позволяет графически
сравнить модели фотосферы.
На рисунке представлены две модели
невозмущенной фотосферы:
Рис. 8.
наиболее ппопулярная модель
1974 г. (HOLMU)
уточняющая её модель
1999 г. (GRESA).
Приведены графики температуры и
газового и электронного давлений – их
распределение с оптической глубиной.
Как видно, различия между моделями
невелики. Тем не менее, они заметно
сказываются на расчетах и на
параметрах среды. В частности новая
модель предполагает на 40% больше
атомов железа на Солнце, чем старая.
Табличное сравнение моделей
Модели можно сравнивать не
только графически, но и таблично.
Программа позволяет выбрать
любые параметры, которые
требуется сравнить и вывести их
в таблицу с шагом той модели,
которая выводится первой.
Табличные данные удобны для
дальнейшего использования их в
Excel, Matlab и т.п.
Рис.9 Сравнение температуры и коэффициента поглощения в линии Fe I 6302 A
для моделей HOLMU 1974 и Grevesse, Sauval 1999.
(звездочками отмечены экстраполированные значения)
Расчет для списка вариантов
Чтобы подобрать расчетный профиль так, чтобы он соответствовал наблюдаемому,
нужно варьировать входные параметры. Например, фрагмент задания на расчет
может выглядеть так:
! СПИСОК ПАРАМЕТРОВ, ЗАДАННЫХ ОДНОКРАТНО:
#LIN FE6302 # ! ИДЕНТИФИКАТОР ЛИНИИ
#NLAM 61
# ! ЧИСЛО ТОЧЕК ПРОФИЛЯ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
! ВАРЬИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ:
#A
0.0 0.02 0.2
# ! ПОСТОЯННАЯ ЗАТУХАНИЯ - 3 ВАРИАНТА
#ETA0 0.1 1.0 10.0 100.0 # ! ОТНОШ.КОЭФ-ТОВ СЕЛЕКТ.И НЕПР.ПОГЛОЩЕНИЙ 4ВАР-ТА
! ЗАПУСК АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ПО МОДЕЛИ МИЛНА-ЭДДИНГТОНА:
#RUN RACH
#
В
данном случае мы посчитаем 3*4=12 наборов профилей Стокса по
аналитическим формулам Рачковского (т.е. для модели Милна – Эддингтона).
Профили сохраняться в памяти программы и при желании параллельно будут
записаны в текстовый файл.
Интегральные характеристики профилей можно посмотреть на специальной
странице программы и распечатать.
Наконец, в диалоге можно задать параметры графиков и вывести их на экран.
Вывод графиков на экран
Рис. 10 Профили параметра стокса V (круговой поляризации) для задания с
предыдущей страницы
Параметр расчета ETA0 ( 0), определяющий силу линии меняется слева направо.
Параметр затухания A ( a ) , уширяющий линию меняется сверху вниз.
Анимация
Если входной параметр расчета менять плавно, можно получить анимированную
последовательность профилей. Анимацию можно наблюдать в программе, а можно
выгрузить в gif-файл, который затем вставить в электронный документ.
Профили интенсивности и круговой
поляризации линий Fe I 6082 A при
изменении напряженности поля
от 0 до 3000 Э
Рис. 11 Пример анимированных профилей.
Изменение профилей линий Fe I
6082 и 6089 AA при перемещении
по диску Солнца
Подбор параметров в диалоге
Когда нужно делать подбор параметров для множества однотипных случаев,
например для сотни линий, то удобнее использовать не матричный расчет, а
диалоговый. В этом случае ползунками меняя параметры добиваемся, чтобы
разность наблюдаемого и рассчитанного профилей была минимальной.
Пример
Известны профили
примерно ста линий
для пяти положений
на диске Солнца.
Решаем задачу
подбора параметров
для модели ф/с
Милна-Эддингтона
Рис. 12 Две стадии подбора профиля, заданного для 5 положений на диске.
Красный график – разность рассчитанного и наблюдаемого профилей.
Расчет для участка длин волн.
Обычно нас интересуют отдельные конкретные линии. Но иногда нужно сопоставлять расчет со
спектром, включающем ряд бленд. На этот случай программа умеет считать профили для диапазона
спектра. Например, если в задание на расчет вместо обычного задания идентификатора линии
#LIN
CA6102
#
включить задание нижней и верхней границ диапазона длин волн:
#LAM_L
#LAM_U
6102.000 #
6103.440 #
то программа автоматически включит в расчет все линии из базы данных:
SI
FE
CR
FE
SI
CA
TI
FE
V
RH
CA
TI
CR
FE
FE
SM
I
I
II
I
I
I
II
I
I
I
I
I
I
I
I
I
LAMB
6102.136
6102.180
6102.262
6102.268
6102.408
6102.439
6102.542
6102.599
6102.706
6102.706
6102.723
6102.808
6102.914
6103.185
6103.293
6103.395
E_low
5.984
4.830
6.285
5.348
5.984
2.523
8.116
4.584
3.245
1.578
1.879
1.873
4.416
4.835
4.733
1.624
lg(gf)
-2.120
-0.657
-2.877
-3.962
-2.800
-2.805
0.178
-2.249
-0.751
-1.170
-0.890
-2.317
-3.006
-0.764
-1.117
-0.216
J_l J_u
3
3
0
1
5/2 3/2
3
3
3
2
2
1
7/2 9/2
3
3
9/2 9/2
9/2 11/2
0
1
3
4
1
0
1
1
3
4
6
5
g_l
0.000
0.493
0.857
0.905
0.000
1.162
1.294
1.083
1.230
0.000
0.000
0.740
1.501
0.493
1.324
0.000
g_u
0.000
0.676
0.819
1.644
0.000
1.010
1.007
1.109
1.610
0.000
2.002
1.050
0.000
1.459
0.871
0.000
Результат расчета для участка длин волн
невозмущенная
фотосфера
ТЕНЬ
Ca I 6102 A
HOLMU RI
SW75 RI
SW75 RV
Рис. 13 Верхняя половина – участок спектра вблизи линии Ca I 6102 A
для невозмщенной фотосферы (вверху)
и тени пятна (внизу)
Нижняя половина – рассчитанные профили интенсивности для фотосферы и
интенсивности и круговой поляризации для тени
модель невозмущенной фотосферы – HOLMU 1974
модель тени – Stellmacher-Wiehr 1975 (SW75), напряженность поля 3000 Э
Текстовый редактор и подсистема графики
Встроенный текстовый редактор SunWorld имеет две функции, которые отличают его от
обычного блокнота, это:
•
функция гипертекста
•
возможность редактирования таблиц.
Встроенная графика делится на несколько подсистем:
ряд простых, для рисования векторов моделей фотосферы, структур зеемановского
расщепления
и две более развитых:
•
система рисования профилей Стокса и
•
графическая система общего назначения
Функция гипертекста текстового редактора
Благодаря функции гипертекста редактор позволяет организовывать огромное множество текстовых
данных в единое целое.
Произвольный текст
Имена файлов
Редактирование таблиц в текстовом редакторе
Любой участок текста, который содержит колонки цифр или просто слов, разделенных пробелами,
считается таблицей. Для таблиц возможны следующие операции:
•
Выравнивание – все слова выстраиваются в колонки, слова из букв равняются по первому
символу, числа по десятичной точке:
•
•
•
•
Сортировка. Сортируется вся таблица именно по той колонке, в которой находится курсор.
Если в колонке есть слова, состоящие из букв, происходит сортировка по алфавиту, если
колонка содержит числа – то по значениям.
Удаление колонки. Текущую колонку можно удалить целиком (вырезать).
Запоминание и вспоминание колонки. Колонку можно запомнить и затем вспомнить
(получить её дубль) в новой позиции.
Запоминание и вспоминание в формате Excel. Таблица целиком может быть запомнена в
виде, пригодном для вставки её в Excel. Так же может быть вставлена в текст таблица,
ранее запомненная в программе Excel.
Подсистема рисования посчитанных профилей Стокса
В типовом расчете SunWorld задается несколько входных параметров, которые меняются.
Например мы можем посчитать профили
•
для трех линий,
•
для трех значений угла наклона поля и
•
для 20 значений напряженности поля:
( ФРАГМЕНТ ВХОДНОГО ФАЙЛА – ЗАДАНИЯ НА РАСЧЕТ)
#LIN
FE6089 FE6093 FE6094 # ! три линии
#GM
30
45
60
# ! три значения угла наклона поля
#$H
1600 3500 100
# ! значения поля от 1600 до 3500 с шагом 100 Э
Задача подсистемы рисования состоит в том, чтобы
•
распределить графики по желаемым осям X, Y, T(время),
•
выбрать параметр или параметры Стокса (RI, RV и т.д.),
•
задать одинаковый для всех масштаб по длинам волн и по шкале интенсивностей
GM=30
GM=45
GM=60
FE6089
FE6093
FE6094
Напряженность поля
H распределена
вдоль оси времени T
Подсистема графики общего назначения
Подсистема графики общего назначения работает с данными сохраненными в виде
текстовых таблиц. В специальном текстовом файле мы описываем график, а потом
интерпретатор "проигрывает" это описание и получаются графики. Примеры таких
графиков приведены ниже:
Эта система скромнее, чем например, графика системы MatLab, зато позволяет получать
графики оперативно и хранить их описания вместе с файлами данных проекта
Подсистема управления проектами
В SunWorld могут выполняться десятки самых разнообразных проектов. Для этой
цели создана система управления проектами. Данные разных проектов
абсолютно независимы, их можно архивировать или удалять с компьютера без
ущерба для других проектов.
В рамках одного проекта может быть несколько разных расчетов – и однотипных и
разнотипных. Профили этих разных расчетов можно сравнивать, они активны в
SunWorld одновременно.
Все файлы данных в проектах SunWorld (кроме готовых графиков) – это текстовые
файлы.
Данные одного проекта подразделяются на:
• Входные данные расчета
• Файлы, которые содержат результаты расчета – профили Стокса
• Файлы, которые описывают графики и готовые файлы с графиками
Ряд работ, статей сделанных с помощью SunWorld
•
•
•
Об отсутствии нетепловой скорости в холодном компоненте тени крупного пятна.
1989. Труды XIII консультативного совещания по физике Солнца. Одесса.
The Upper Temperature Limit of Bright Points in Large Sunspot Umbrae. 1989. IAU
Symposium №138, Kiev 15-20 May 1989.
Зависимость профилей Стокса от температуры модели фотосферы 1993г
Астрономический журнал
(всего 8 работ того периода)
•
•
Конкурсный проект СПЕКТР 1990-1992 – один из первых грантовых проектов
Грант 94-02-03788 – первый грант УАФО, который получил финансирование.
Полностью основан на идее использования SunWorld
•
Идея магнитографа для пятен, измеряющего абсолютные значения поля. 2009.
Рукопись
Метод "пробного слоя" в вычислении функций вклада и отклика. 2012. Готовится к
публикации
Аномальное расщепление линий ванадия V I 6058 и 6111 AA. 2012. Готовится к
публикации
Порядка 20 работ А.В.Баранова в соавторстве за последние 3 года.
•
•
•