Súčasné meranie magnetických a rýchlostných polí v aktívnych oblastiach na Slnku
 
 

V.Karlovský,Hvezdáreň a planetárium Hlohovec,vladokarlovsky @hotmail.com
M.Lorenc, Slovenská ústredná hvezdáreň, Hurbanovo, lorenc @ suh.sk
 

Abstrakt
V práci je navrhnutá možnosť súčasného merania magnetických a rýchlostných polí na Slnku pomocou systému planparalelných doštičiek na rôznych miestach aktívnej oblasti. Systém dovoľuje merať naraz magnetické polia v rôznych magneticky aktívnych spektrálnych čiarach a pritom aj merať rýchlostné polia.
 

1.ÚVOD

     V mnohých prípadoch je potrebné merať magnetické pole, či rýchlostné pole v aktívnej oblasti na Slnku naraz na viacerých miestach. Jedna z možností, ako to urobiť je použiť multištrbinu pozri Karlovský 1983. Vzhľadom na to, že výroba takejto multištrbiny je veľmi komplikovaná, bolo navrhnuté technicky schodnejšie riešenie nahradiť multištrbinu systémom planparalelnch doštičiek Karlovský 1988

2. SYSTÉM PLANPARALELNÝCH DOŠTIČIEK

      Systém planparalelných doštičiek má také výhody ako multištrbina, preto si ich znova uvedieme:
A,Je možné získať magnetické pole v rôznych rezoch v aktívnej oblasti súčasne, za tých istých atmosferických podmienok.
B,Je možné získať magnetické pole v rôznych rezoch súčasne v rôznych magneticky aktívnych spektrálnych čiarach .
C,Je možné získať rýchlostné pole zo spektrálnych čiar v rôznych rezoch súčasne a súčasne zistiť magnetické pole v týchto rezoch.
D,Je možné zistiť rýchle zmeny magnetických a rýchlostných polí, ktoré sú obmedzené len vlastnosťami použitého detektora (CCD kamera, fotometer, fotografia a.p.)
     Použitie systému planparalelných doštičiek je nasledovné: Rozličné miesta na Slnku v aktívnej oblasti sa pomocou sústavy planparalelných doštičiek posunú na štrbinu spektrografu. Pretože sú vyrezané z jednej veľkej doštičky, majú rovnaký index lomu, rovnakú hrúbku ako aj ostatné vlastnosti. Pretože sa použije iba jedna veľká štrbina spektrografu nevznikajú nijaké problémy, ak spektrograf ma optickú mriežku s tvarovaným vrypom a na opravu profilu spektrálnych čiar sa použije jeden inštrumentálny profil .Ak použijeme kalibračný klin, tiež nevzniknú nijaké ťažkosti.

2.1. ČASTI SYSTÉMU DOŠTIČIEK

      V prednej časti pred hlavnou štrbinou spektrografu je najprv umiestnená maska, vyrobená z materiálu, ktorý umožňuje sledovať polohu aktívnej oblasti a tiež má sústavu širokých paralelných štrbín, ktorými si vyberieme miesta v aktívnej oblasti, ktoré chceme merať. Ďalej je otočný systém planparalelných doštičiek s uhlomerom na meranie veľkosti otočenia jednotlivých doštičiek. Týmto systémom otáčame nasledovne: najprv otočíme spodnú doštičku tak,aby svetelný tok od spodnej širokej štrbiny v prednej maske dopadol na hlavnú štrbinu spektrografu a ďalej otáčame postupne všetky doštičky tak, aby nami vybrané miesta v prednej maske, ich svetelný tok dopadol na hlavnú štrbinu. Potom si zaznamenáme všetky uhly otočení jednotlivých planparalelnch doštičiek. Budeme ich potrebovať pri oprave profilov magneticky aktívnych spektrálnych čiar , lebo planparalelné doštičky vnášajú určitú polarizáciu do prichádzajúceho lúča. Ak by sme sa obmedzili iba na absolútnu veľkosť a nezaujímala by nás polarita, či smer magnetického poľa, opravu na polarizáciu od planparalelných doštičiek nemusíme robiť. Potom pridáme štvrťvlnovú doštičku a môžeme pridať kalibračný klin pred hlavnú štrbinu spektrografu. V prípade, že meriame magnetické pole je potrebné za hlavnú štrbinu umiestniť otočný polarizačný filter. Jednotlivé časti sústavy vidíme na obrázkoch č.1 a 2.

Obr.č.1 Vzhľad masky a nastavenie štrbín na obraz škvrny.

Obr.č.2 Časti sústavy, pohľad zhora.V hornej časti svetlo prichádza na masku, potom postupuje na planparalelné doštičky, prechádza cez štvrťvlnovú doštičku, kalibračný klin, hlavnú štrbinu spektrografu a otočný polarizačný filter.ďalej sú obvyklé časti spektrografu.

3. PLANPARALELNÁ DOŠTIČKA

Pri planparalelnej doštičke uhol dopadu a uhol, pod ktorým lúč z doštičky vychádza, sú rovnaké. Vystupujúci lúč je rovnobežný so vstupujúcim, ale je posunutý o vzdialenosť, ktorú vyjadruje vzťah:

kde d je hrúbka doštičky, i je uhol dopadu , n je relatívny index lomu doštičky. Zdanlivý obraz zdroja S´je vzhľadom na zdroj S k doske bližšie o vzdialenosť:

Vlastnú geometriu pri prechode planparalelnou doštičkou vidíme na obrázku č.3

Obr.č.3 Geometria prechodu svetelného lúča planparalelnou doštičkou.

     Svetlo prichádzajúce od Slnka sa pri lome a odraze na rozhraní dvoch dielektrík, ktoré predstavuje rozhranie medzi vzduchom a  planparalelnou doštičkou vo všeobecnosti lineárne polarizuje. Toto má význam pri meraní magnetických poli a ich polarít, pretože planparalelná doštička vnáša dodatočnú polarizáciu. Nás zaujíma iba lomený lúč. Tu Ip a Is sú intenzity p a s vlny. Lomený lúč obsahuje obidve vlny. Ďalej i je uhol dopadu a r je uhol lomu, ktorý vypočítame zo Snelliovho zákona. Dôležité je, že stupeň polarizácie môžeme vypočítať a  tak potom opraviť merané hodnoty. Stupeň polarizácie pri prechode svetla cez planparalelnú doštičku bude:

Ako závisí stupeň polarizácie na uhle dopadu môžeme vidieť na obrázku č.4. Tu sú Rpa Rs koeficienty odrazivosti p a s vlny pre index lomu 1.52 , DR a DT sú stupne polarizácie pri odraze a pri prechode svetla. Pri stupni polarizácie pri prechode svetla doštičkou vidíme, že ak pracujeme pri uhloch dopadu do 20 stupňov je stupeň polarizácie veľmi malý. Pri väčších uhloch dopadu je väčší, avšak vieme ho vypočitať.


Obr.č.4 Grafy koeficientov odrazivosti a stupňa polarizácie.

4. MERANIA

     Skúšobné snímky a merania sa robili pomocou dvoch prototypov, ktoré vznikli za spolupráce Hvezdárne a planetária Hlohovec a  Slovenskej ústrednej hvezdárne Hurbanovo. Prvý prototyp používa 3 planparalelné doštičky s indexom lomu 1,52 vyrezané z jedne veľkej planparalelnej doštičky o krúbke 15 mm, ktoré dovoľujú pri otočení o uhol 80 stupňov posunutie obrazu o 12,53 mm na jednu ,alebo druhú stranu. Takto je možné fotograficky snímať súčasne naraz 3 alebo 4 oblasti na Slnku vzdialené od seba približne 25 mm na obraze disku Slnka. Pri veľkosti disku Slnka okolo 320 mm na Horizontálnom slnečnom spektrografe v Hurbanove je to dostatočné na meranie v rôznych častiach skupiny slnečných škvŕn, alebo na meranie v okolí jednotlivých škvŕn.
     Druhý prototyp používa dve planparalelné doštičky s indexom lomu 1,52 vyrezané z veľkej planparalelnej doštičky o hrúbke 21 mm otočené vždy o 45 stupňov na opačné strany, čo dáva posnutie obrazu o 14,09 mm. Tieto dve doštičky boli vyrezané tak, aby bolo možné výsledné spektrum snímať CCD kamerou ST-7 a aktívna výška doštičiek je 1 mm. Systém dovoľuje snímať 3 miesta (šírka 14 mm, výška 7 mm), jedno neposunuté a dve posunuté tak, aby obraz dopadol na hlavnú štrbinu spektrografu.

Obr.č.5  Prvý prototyp

 

Obr.č.6  Druhý prototyp
 

Obr.č.7 Skúšobné spektrum aktívnej oblasti v okolí 630,2502 nm , získané pomocou druhého prototypu a CCD kamery ST-7

5.SÚHRN A DISKUSIA

     Záverom možno konštatovať, že hlavne druhý prototyp ukázal svoju praktickú použiteľnosť pri pozorovaní. Ukázali sa však aj určité ťažkosti, najmä ohyb svetla na hranách planparalelných doštičiek.

Poďakovanie

     Záverom by sme chceli poďakovať RNDr.B.Lukáčovi CSc. a  RNDr.I.Dorotovičovi CSc. za podporu a  pomoc pri realizácii experimentov a tiež M.Vanyovi za technickú realizáciu prvého prototypu.

LITERATÚRA

Karlovský V.,1983 Zmeny magnetického toku pri erupcii 11.7.1978. Zborník referátov z 6.Celoštátneho slnečného seminára Adamov Vyd.
     SÚAA  Hurbanovo ,1983 ,64-74
KarlovskýV.,1988Súčasné meranie magnetických a rýchlostných polí na Slnku. Zborník referátov z 8.Celoštátneho slnečného seminára Stará
     Lesná, vyd. SÚAA Hurbanovo ,1988 ,169-172