ПРОГРАММА-МИНИМУМ

кандидатского экзамена по специальности
01.03.03 "Физика Солнца"
по физико-математическим наукам

Введение

Программа кандидатского экзамена по специальности 01.03.03 <Физика Солнца> МГУ имени М.В.Ломоносова создана на основе Паспорта научной специальности "Физика Солнца", разработанного экспертным советом Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК) Министерства образования Российской Федерации по физике при участии ИЗМИРАН и ИСЗФ СО РАН.

1. Внутреннее строение Солнца и физические процессы, происходящие в недрах Солнца
• Спектральный класс, класс светимости, положение на диаграмме Герцшпрунга-Рассела. Возраст. Вращение.
• Химический состав Солнца. Методы определения.
• Глобальное магнитное поле Солнца. Переполюсовка.
• Гидростатическое равновесие солнечного вещества; баланс сил, лучистое трение.
• Источник солнечной энергии. Ядерные циклы. Солнечные нейтрино. Радиативная зона Солнца.
• Конвективная зона Солнца. Условие возникновения конвекции. Конвективный перенос энергии.
• Грануляция. Наблюдения и теоретические результаты.
• Конвекция сверхсупергрануляционных масштабов (гигантские ячейки). Конвекция в присутствии вращения и магнитных полей.
• Гелиосейсмология. Спектр собственных колебаний.

 

2. Структура и динамика солнечной атмосферы (конвективная зона, фотосфера, хромосфера, корона). Образования в солнечной атмосфере (активные области, пятна, протуберанцы и т.д.).
• Фотосфера, непрерывный спектр, потемнение к краю. Фраунгоферов спектр. Грануляция. Пятиминутные колебания.
• Хромосфера, ее структура, плотность, температура. Спикулы, Супергрануляция и хромосферная сетка. Протуберанцы, их типы, физические свойства, устойчивость.
• Корона Солнца, строение, яркость и поляризация. Непрерывный и линейчатый спектр. Температура и плотность. Ионизационное равновесие.
• Излучение Солнца в видимой, рентгеновской и далекой ультрафиолетовой областях спектра. Радиационное остывание. Механизмы <уширения> спектральных линий. Линии поглощения.
• Баланс энергии в атмосфере Солнца. Источники нагрева и охлаждения. Переходная область между хромосферой и короной.
• Магнитные поля на Солнце: крупномасштабное поле, локальные поля Солнечные пятна. Биполярные области. Тонкая структура полей.
• Радиоизлучение спокойного Солнца и активных областей: спектр, поляризация. Всплески радиоизлучения I- V типов, причины возникновения их радиоизлучения, особенности всплесков в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Низкочастотное радиоизлучение (гектометровый и километровый диапазоны). Исследование Солнца радифизическими методами.

 

3. Солнечная активность и циклы солнечной активности на различных временных масштабах. Магнитные поля на Солнце и активные явления (вспышки, выбросы и т.д.). Солнечные излучения всех диапазонов - от радиоизлучения до гамма- и нейтринного излучения. Солнечные космические лучи.
• Активные области и их магнитные поля. Число Вольфа.
• Солнечные циклы. Главные закономерности динамики распределения активных областей в 11-летнем солнечном цикле.
• Солнечная вспышка. Механизмы накопления и быстрого выделения энергии над активной областью. Наблюдения вспышки в различных областях спектра. Вторичные процессы.
• Корональные выбросы массы, их связь со вспышкой и воздействие на магнитосферы планет.
• Петли и яркие рентгеновские точки. Удержание и нагревание плазмы в квазистационарных магнитных структурах.
• Генерации рентгеновского и гамма излучения, солнечных космических лучей.
• Ускорение частиц на Солнце. Ускорение частиц при магнитном пресоединении. Стохастическое ускорение. Ускорение ударными волнами. Комбинированное ускорение солнечных космических лучей.
• Радиоизлучение Солнца. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, его поглощение в верхней атмосфере Земли. Солнечные космические лучи в спокойные и активные периоды. Потоки галактических и солнечных космических лучей на Земле по данным нейтронных Мониторов. Влияние межпланетного магнитного поля. Форбуш-эффект.

 

4. Физика солнечной плазмы
• Основные параметры солнечной атмосферы. Кулоновское взаимодействие. Квазинейтральность. Проводимость. Теплопроводность.
• Магнитная гидродинамика. Основные уравнения. Понятия вмороженности. Силы, действующие на плазму в магнитном поле. Магнитостатика. Бессиловые и потенциальные поля. Численные МГД методы.
• Колебания в плазме. Звуковые и МГД-волны. Бесстолкновительные ударные волны. Перенос и диссипация энергии в плазме. Проблема нагрева хромосферы и короны.
• Устойчивость. Методы исследования устойчивости. Энергетический принцип.
• Пересоединения магнитных силовых линий. Токовые слои. Понятия о теории динамо.

 

5. Ускоренные частицы в атмосфере Солнца. Перенос частиц в гелиосфере. Корпускулярное излучение Солнца и межпланетная среда. Солнечный ветер и гелиосфера.
• Ядерные реакции в атмосфере Солнца. Нейтроны и гамма-излучение. Локализация источников ускорения. Энергичные частицы в гелиосфере. Плотность энергии и перенос энергичных частиц. Теория переноса солнечных космических лучей.
• Расширяющаяся корона и солнечный ветер. Межпланетное магнитное поле, спираль Паркера. Теория Паркера. Основные характеристики межпланетной среды.
• Высокоскоростные потоки и их связь с корональными дырами и корональными выбросами массы. Ударные волны в солнечном ветре.
• Структура межпланетного магнитного поля. Взаимодействие межпланетной среды с магнитосферой Земли. Причины, вызывающие суббури и главную фазу бури.
• Связь суббурь с солнечными вспышками. Повторяемость магнитных бурь.
• Солнечный ветер, его состав, скорость, температура, плотность. Понятие о его распределении по гелио-широте. Высокоскоростные потоки плазмы и корональные дыры. <Магнитные облака> в солнечном ветре. Секторная структура межпланетного магнитного поля вблизи плоскости эклиптики и гелиосферный токовый слой. Ударные волны и разрывы в солнечном ветре. Распространение солнечных космических лучей в межпланетном пространстве. Граница гелиосферы.

 

6. Магнитосфера Земли. Магнитосферы планет солнечной системы. Солнечно-земная физика и солнечно-земные связи.
• Обтекание магнитосферы Земли солнечным ветром. Бесстолкновительная ударная волна. Переходная область (Магнитослой). Структура магнитосферы. Магнитопауза. Полярные каспы. Геомагнитный хвост. Плазменный слой и крупномасштабный электрический ток хвоста. Размеры магнитосферы и хвоста. Зона устойчивого захвата энергичных частиц (пояса радиации). Понятие о моделях крупномасштабного магнитного и электрического поля в магнитосфере Земли. Крупномасштабные электрические поля в магнитосфере и конвекция плазмы. Понятие о механизмах генерации электрического поля. Дрейф горячей плазмы плазменного слоя к Земле, адиабатическое ускорение частиц. Крупномасштабные трехмерные электрические токи в магнитосфере, их замыкание через проводящую ионосферу.
• Магнитосферная суббуря и магнитная буря. Формы проявления и фазы магнитосферной суббури. Инжекция энергичных частиц во внутреннюю магнитосферу и формирование пояса кольцевого тока, механизмы его распада.
• Полярные сияния. Полярные сияния как отображение процессов нагрева, ускорения и рассеяние частиц в горячей плазмы в магнитосфере. Носители восходящих и нисходящих продольных токов, роль продольного электрического поля. Понятие о связи полярных сияний с основными магнитосферными структурами - плазменным слоем, каспом. Понятие о генерции продольных токов в магнитосфере и ионосфере.
• Магнитосферы Юпитера и Сатурна. Магнитосфера Урана. Вырожденные магнитосферы Венеры, Марса, кометы Галлея. Магнитосфера Меркурия. Понятие о гелиосфере.

 

7. Радиационные пояса Земли
• Радиационные пояса Земли. Распределение интенсивности захваченных в геомагнитную ловушку зараженных частиц. Понятие о дрейфовой оболочке (L- оболочке), инвариантных координатах. Нарушение адиабатических инвариантов и диффузия захваченных частиц в магнитосфере поперек L- оболочек, по питч-углам. Механизмы наполнения и утечки энергичных частиц радиационных поясов. Энергетические спектры захваченных частиц, массовый и зарядовый состав энергичных ионов. Суммарная энергия захваченных частиц и сторм-тайм вариация геомагнитного поля (Dst - вариация). Понятие о радиационной опасности для аппаратуры в поясе радиации. Понятие о радиационных поясах магнитосфер Юпитера и Сатурна.

 

8. Волновые излучения магнитосферной плазмы. Ионосфера
• Волновые излучения магнитосферной плазмы. Вистлеры, шипения, авроральное километровое радиоизлучение (АКР), ионно-циклотронные волны. Понятие о механизмах их возбуждения. Понятие о взаимодействие волн и частиц в магнитосфере. Верхняя атмосфера. Состав атмосферы. Ионосфера. Источники ионизации. Распределение электронной концентрации по высоте в среднеширотной ионосфере. Основные высотные области (слои) ионосферы. Изменение ионного состава с высотой. Поглощение радиоволн. Частота столкновений электронов. Распространение радиоволн в ионосфере. Рефракция радиоволн. Среднеширотный ионосферный провал, его природа. Провал легких ионов, плазмосфера и плазмопауза. Заполнение внешней плазмосферы тепловой плазмой. Полярный ветер. Нагрев внешней плазмосферы. Стабильные красные дуги. Понятие об ионосферах других планет.

 

9. Научные приборы и комплексы, экспериментальные методы и алгоритмы обработки данных для исследования Солнца и космической плазмы.
• Детекторы излучений. Оптические измерения фотосферы, хромосферы и короны Солнца. Понятие об оптических методах определения магнитного поля на Солнце. Спектрогелиограф.
• Фотографическая эмульсия. Характеристическая кривая. Основное свойство фотоэмульсии. Эквиденситы. Фотографическая фотометрия. Фотоэлектрические приемники радиации. Фотоумножитель. Электронно-оптический преобразователь. Микроканальные пластины и ПЗС-матрицы. Коллекторы, ВЭУ, КЭУ, ФЭУ. Сцинциляторы, полупроводниковые детекторы. Методы измерения температуры и скоростей микроскопических движений в ионосфере и верхней атмосфере.
• Поляриметрия. Поляроиды. Призма Волластона. Пластинки ? /2 и ? /4. Электрооптические устройства. Параметры Стокса.
• Методы измерений магнитного поля и лучевых скоростей Солнца. Вектор-магнитограф. Метод Лейтона. Солнечные магнитографы и стоксметры.
• Радиофизические методы исследования солнечной короны.
• Зондовые методы исследования плазмы. Зонд Ленгмюра. Вольт-амперная характеристика зонда в плазме. Двойной электрический зонд. Электростатический анализатор плазмы. Анализаторы с тормозящим и отклоняющим полем. Магнитные анализаторы. Модуляционные ловушки. Геометрический фактор прибора. Спектральное и угловое разрешение. Времяпролетные анализаторы скоростей ионов.
• Масс - спектрометрия в исследованиях космической плазмы. Фильтр Вина. Энерго- масс- угловые анализаторы. Анализ зарядового состава ионов.
• Радиофизические методы исследования ионосферной плазмы. Импульсное радиозондирование с Земли и со спутников. Метод некогерентного рассеяния радиоволн. Метод эффекта Фарадея. Метод дисперсионного интерферометра. Метод абсорбционного и рефракционного просвечивания атмосфер планет.
• Фотометрия полярных сияний и свечения атмосферы. Понятие о фототелевизионных измерениях планетарной картины свечения полярных сияний со спутников. Основные эмиссии полярных сияний.
• Измерения электрических и магнитных полей. Зондовая методика. Бариевые облака. Магнитометры (феррозондовый, индукционный, квантовый). Электрические и магнитные антенны. Понятие об электромагнитной совместимости, о магнитной чистоте космического аппарата.
• Внеатмосферные наблюдения Солнца, планет солнечной системы, основные приборы и методы. Гамма-, рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные телескопы: особенности схем и конструкций.

 

Основная литература

1. Прист Э.Р. Солнечная магнитогидродинамика. М.: Мир, 1985.
2. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики, 4-е изд., М.: Наука, 1988.
3. Соболев В.В. Курс теоретической астрофизики. М.: Наука, Физматлит, 1967.
4. Каплан С.А., Цытович В.Н., Пикельнер С.Б. Физика плазмы солнечной атмосферы, М.: Физматлит, 1977.
5. Пикельнер С.Б. Основы космической электродинамики, 2-е изд. М.: Физматгиз, 1966.
6. Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.: Мир, 1976.
7. Альвен Г., Фельдхаммар К.Г. Космическая электродинамика. М.: Мир, 1967.
8. Солнечная и солнечно-земная физика: Иллюстрированный словарь терминов. М.: Мир, 1980.
9. Космическая магнитная гидродинамика: Сб./ Под ред. Э. Приста, А. Худа, М.: Мир, 1995.
10. Сомов Б.В. Космическая электродинамика и физика Солнца. М.: Изд-во МГУ, 1993.
11. Паркер Е. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965.
12. Астрофизика космических лучей / Под ред. В.Л. Гинзбурга. М.: Наука, 1990.
13. Лонгейр М. Астрофизика высоких энергий. М.: Мир, 1984.
14. Росси Б., Ольберт С. Введение в физику космического пространства. М.: Атомиздат, 1974.
15. Космические лучи и солнечный ветер / Г.Ф. Крымский, А.И. Кузьмин, П.А. Кривошапкин и др. Новосибирск: Наука, 1981.
16. Топтыгин И.Н. Космические лучи в межпланетных магнитных полях. М.: Наука, 1983.
17. Структура и динамика солнечной короны // Труды Междунар. конф. по физике Солнца, посвящ. памяти проф. Г.М. Никольского. Троицк, 1999.
18. Акасофу С., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1974.
19. Брандт Дж. Солнечный ветер. М.: Мир, 1972.
20. Хундхаузен А. Дж. Расширение короны и солнечный ветер.М.: Мир, 1976.
21. Хесс В. Радиационный пояс и магнитосфера земли. М.: Атомиздат,1971.
22. Акасофу С. Полярный и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971.
23. Редерер Х. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем. М.: Мир,1972.
24. Бауэр З. Физика планетных ионосфер. М.: Мир, 1976.
25. Космическая геофизика. Под ред. А. Эгеленда, О.Хольтера и О. Охмольта. М.: Мир, 1976.
26. Лихтер Я.И., А.В. Гульельми, Л.М. Ерухимов, Г.А.Михайлова. Волновая диагностика приземной плазмы, М.: Наука, 1988.
27. Лайонс Л., Уильямс Д. Физика Магнитосферы. Количественный подход. М.: Мир, 1987.
28. Ионосферно -магнитные возмущения на высоких широтах. Под ред. О.А. Трошичева и др. Л.:Гидрометеоиздат, 1986.
29. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера., М.: Наука, 1984.
30. Итоги науки и техники. Исследование космического пространства. Т.24. 1986. Плазменные процессы в солнечной системе. Под. ред. Р.З. Сагдеева. М.: ВИНИТИ, 1986.
31. Э.Гибсон. Спокойное Солнце. М.: Мир, 1977.
32. Поток энергии Солнца и его изменения. Под. ред. О.Уайт. М.: Мир,1980.