С.В.Балдин, В.М. Богод., В.И.Гараимов, С.Х.Тохчукова

Специальная астрофизическая обсерватория, Н.Архыз.

Шестое рабочее совещание-семинар "Информационные системы в фундаментальной науке" 27 - 31 июля 2009 г, САО РАН

Общий объем архивов астрономических данных удваивается ежегодно.(Солнечная динамическая обсерватория SDO - 1,5 Терабайта данных в сутки).Возникает проблема «усвоения» этой информации.

Закон Мура

Наблюдения Солнца на РАТАН-600

• В 2000 г. был реализован режим многоазимутальных наблюдений (до 61 в день), что увеличило количество наблюдений от ~350 в год до 1000-1500 в год

• В 2005 г. на облучателе №3 была установлена новая спектральная аппаратура, с более высоким спектральным разрешением (с 5% до 1%), и более быстродействующая система регистрации, что привело к увеличению размера 1 файла наблюдений с ~1 Мб до ~40 Мб

• В настоящее время готовится к запуску новая система регистрации (112 каналов в диапазоне от 750 МГц до 18 ГГц)

• Объем получаемых данных растет непрерывно, поэтому большое внимание уделяется автоматизации процессов

Крупнейший в мире радиотелескоп рефлекторного типа РАТАН-600 обладает уникальным набором параметров для наблюдений Солнца, благодаря размерам антенны, и комплексу регистрации, который позволяет получать в настоящее до 61 одномерных изображений Солнца в день на 56 частотах, регистрируя параметры Стокса R и L в диапазоне от 1.64 до 10 см со спектральным разрешением 1%, с пространственным разрешением от 15 сек. X 16 мин. дуги на волне 1.74 см, и точностью измерения поляризации порядка 3%.

Представление данных на странице ГСИ

С 1997 данные наблюдений Солнца ежедневно избирательно выставляются на странице Группы Солнечных Исследований на сайте САО РАН, в форматах FITS и GIF, последние в виде сканов I&V и двумерных карт Tа (x, ν), и нанесенных на скан над ЛИ значений магнитных полей, вычисленных из предположения о гирорезонансном механизме излучения

Поляризованное излучение на нескольких частотах

Автом. определение магнитных полей в короне

Полный поток на нескольких частотах диапазона

Поляризованное излучение на всех волнах, карта

Полный поток на всех волнах, карта (по горизонтали отложено рссстояние от центра Солнца, по вертикали- частота; Интенсивность выражена цветом в температурной шкале.

Создана и развивается единая информационная система, решающая задачи:

подготовка наблюдений сбор данных (проведение наблюдений, поканальное управление усилением в ходе наблюдений, проведение калибровок) контроль качества данных (с ежедневной рассылкой писем в случае обнаружения неисправных каналов) хранение данных, передача по каналам связи (оптоволокно, GPRS) на специализированный сервер в СПб, занесение в базу данных первичная автоматическая обработка данных распознавание одномерных изображений гаусс-анализ найденных источников интерактивный поиск и визуализация данных сбор вспомогательных данных (с сайтов других обсерваторий) сопоставления с данными других обсерваторий он-лайн моделирование ЛИ расчет физических параметров ЛИ прогноз солнечной активности

Задачи ИС наблюдений Солнца на РАТАН-600

Сбор данных (сервер в СПбФ САО РАН)

• В 2006 г в СПбФ САО РАН был запущен специализированный сервер (http://www.spbf.sao.ru/prognoz) для анализа многоволновых наблюдений Солнца на РАТАН-600.

ref3.sao.ru(РАТАН-600, ст.Зеленчкская)

mail.sao.ru(п.Н.Архыз)

prognoz.spbf.sao.ruПулково, С.Петербург

Перенос данных

Сервер автоматически собирает информацию с многоволнового спектрографа Облучателя №3 РАТАН-600, обрабатывает и представляет ее в виде удобном для сопоставления с данными других наземных и спутниковых обсерваторий. На данный момент первичная автоматическая обработка состоит из следующих функций:

1) отфильтровка неработающих или сбойных каналов2) Удаление записей ГШ на скане 3) Вычитание уровня неба4) Преобразование параметров Стокса R&L в I&V5) Калибровка по спокойному Солнцу6) Занесение в базу данных7) Рассылка писем

Сервер осуществляет сбор данных для сопоставления- с радиогелиографов ССРТ (Россия) и Нобеяма (Япония), с магнитографа спутника SOHO MDI и др.обсерваторий.

Представление данных

Database ------------

(metadata)File archive

----------(RATAN-600, SSRT,

Norh, SOHO MDI)

Models (Fortran

programs)

Crond ---------------(wget, sync)

User gets:

DataFull disk FITS files,

Images,

ARs parameters,

spectra,

AR models

Для визуализации, анализа, и обработки данных разработаны приложения на IDL и ION (IDL on the Net). ION обеспечивает возможность интерактивной работы в многопользовательском режиме on-line посредством WEB-браузера.

Анализ данных

Многообразие способов графического представления данных определяется основными функциями IDL для отображения 2-мерных и 3-ехмерных массовов (plot, surf3d, tvscl, и др), и большим количеством возможных сценариев обработки данных РАТАН-600.

Основной способ представления, который позволяет оценить наличие активности на диске и за лимбом, это простая группировка сканов.

Различные способы графического представления данных позволяют взглянуть на данные «с разных сторон» - например, подчеркнуть спектральную или морфологическую структуру области излучения.

Интенсивность Поляризация

• «Вычитание спокойного Солнца» позволяет выделить мелкомасштабную составляющую, а также увидеть более детально структуру крупных источников (например, пятенных).

• Алгоритм выделения спокойного Солнца комбинированный, с использованием различных способов сглаживания (медианное, гауссовое, кубическими сплайнами), и априорной информации и характерных размерах на Солнце, шаге между отсчетами и т.п.

Интенсивность

Поляризация

Сопоставление (отождествление ЛИ)

Наложение записи Солнца на РАТАН-600 (скана) на выбранной частоте на двумерное изображение Солнца с других инструментов часто используется для определения второй координаты, для отождествления области излучения (межпятенный источник, источник над головным пятном, источник в основании петли и др), для астрофизических выводов на основании смещения максимумов излучения в различных диапазонах и др.

Отождествление грануляции

Гаусс-анализ

Поиск в базе данных

Модель базы данных

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Расчет силовых линий магнитного поля петли в двумерной дипольной аппроксимации. Силовые линии соединяют два разнополярных диполя, погруженных под фотосферу.

Расчет силовых линий магнитного поля и 5 гирорезонансных уровней пятна в двумерной дипольной аппроксимации магнитного поля.

Результаты расчетов: 1) двумерные карты распределения яркостных температур по плоскости пятна (обыкновенное излучение, необыкновенное излучение, их сумма и разность) 2) одномерные распределения потока излучения вдоль пятна (обыкновенное излучение, необыкновенное излучение, их сумма и разность) и сглаженные с диаграммой направленности одномерные распределения потока излучения вдоль пятна (интенсивность и поляризация) 4) интегральные характеристики на заданной длине волны, получаемые из гаусс-анализа сглаженных с ДН одномерных распределений потока: интегральный поток в интенсивности, размер источника в интенсивности, яркостная температура, интегральный поток в поляризации, размер источника в поляризации.

двумерные карты распределения яркостных температур I, V (e+o, e-o).

по

иск

соот

ветс

твия

(под

бо

р)

гаусс анализисточников

расчет модели

Моделирование(физические параметры источника)

Наблюдение

Для получения физических параметров источника, путем подбора входных параметров модели нужно добиться наиболее полного совпадения результатов модельных расчетов (таблица 2) с с результатами гаусс-анализа наблюдаемого источника (таблица 1).

Связь между наблюдениями и моделированием

• Создана информационная система для сбора, хранения, обработки, анализа, моделирования, и выдачи информации по наблюдениям Солнца на РАТАН-600.

• Система предоставляет свободный и авторизованный сетевой доступ к данным наблюдений Солнца на радиотелескопе РАТАН-600 в режиме сопровождения наблюдений (ежедневно через несколько минут после завершения наблюдений).

• Система осуществляет автоматическую первичную обработку и контроль качества данных, с рассылкой предупреждений о неисправных каналах

• Для работы в интерактивном режиме разработаны веб-приложения на ION (IDL on The Net) Script для анализа и визуализации данных, в том числе получения спектров интенсивности и поляризованного излучения, вычитания уровня спокойного Солнца, сопоставления с данными других обсерваторий.

• Предоставлены приложения для расчета наблюдаемых параметров солнечных источников (размеры, плотность потока, яркостная температура, степень поляризации) на основе гаусс-анализа ЛИ и моделирования их радиоизлучения.

Выводы

Для чего можно использовать представленные данные:• Микроволновые наблюдения дают возможность измерять параметры плазмы в структурах в

атмосфере Солнца на уровнях хромосферы и нижней короны, недоступные для регистрации в УФ и рентгеновском диапазонах. В частности, большой интерес для исследователей представляют радиометоды измерения магнитных полей в короне, которые основаны на различных механизмах излучения- гирорезонансном (доминирует в ЛИ), тепловом тормозном, и плазменном.

• Величинам магнитных полей (< 2500 Гс), которые встречаются в короне, соответствует гирорезонансное излучение в диапазоне 1-18 ГГц, поэтому наблюдения на РАТАН-600 позволяют ежедневно публиковать максимальные значения магнитных полей в отдельных активных областях. При этом, чем выше спектральное разрешение инструмента, тем точнее оценка магнитного поля, и тем меньшие изменения величины магнитного поля он может регистрировать.

• Многоазимутальные наблюдения, проводимые с 2000 г на РАТАН-600 [16], показали, что спектры поляризованного излучения активных областей, производящих мощные вспышки, являются немонотонными, в отличие от спектров невспыхивающих АО . Как показывают расчеты, к таким немонотонностям могут приводить неоднородности в высотной структуре АО, например, величины магнитного поля, а также других параметров, определяющих плотность поляризованного потока, например, температурная инверсия, и др. Наблюдения показывают, что на масштабах времени несколько часов- дней до вспышки происходят изменения в структуре АО на уровнях хромосферы и нижней короны, где, по мнению большинства исследователей, зарождаются мощные солнечные вспышки, поэтому спектрально-поляризационные радионаблюдения могут быть использованы для предсказания вспышек.

• Для более точного анализа данных РАТАН-600 необходимо сопоставление с другими данными. Так, радиогелиографы дают разрешение по второй координате, хотя не обладают спектральным разрешением (как правило, 1-2 волны) и высокой чувствительностью к изменениям поляризованного потока. Достижение всех нужных параметров в одном радиотелескопе пока является недостижимым (проект FASR, по-видимому, не превзойдет, например, некоторые параметры РАТАН-600), поэтому наибольшие результаты в исследованиях солнечных образований могут быть в настоящее время достигнуты путем сопоставления данных различных телескопов. Для облегчения использования солнечных данных РАТАН-600 заинтересованными исследователями, способы представления данных в сети Интернет нами будут развиваться и дальше.