Физические характеристики экстремальных состояний солнечной и гелиосферной активности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В Ломоносова

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.Скобельцына

□0305В син

На правах рукописи

Яковчук Олеся Станиславовна

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИИ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕЛИОСФЕРНОЙ АКТИВНОСТИ

01.04 08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003056708

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики имени Д.В.Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

Научный

руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Веселовский Игорь Станиславович

Официальные

оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Гецелев Игорь Владимирович НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова

кандидат физико-математических наук, доцент Кононович Эдвард Владимирович Государственный астрономический институт имени П.К. Штерберга МГУ

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и

распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова, РАН

Защита состоится " /У " ¿/22^2' 2007 года в/^^йасов на заседании диссертационного совета К501.001.03 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, НИИЯФ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан " " 2007 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук ^Д.^!^«/*««-^—.^

^ 5 Манагадзе А.К.

Общая характеристика работы Актуальность

В мировой науке и в практических применениях исследования Солнца и солнечно-земных связей занимают одно из ведущих мест. Это объясняется тем влиянием, которое солнечная активность оказывает на физические процессы, происходящие на Земле и в околоземном космическом пространстве -магнитосфере и ионосфере, а также на атмосферные и биологические явления.

Известно, что солнечная активность и связанные с ней процессы в ближнем космосе испытывают некоторые циклические изменения, на которые бывают наложены сильные и трудно предсказуемые спорадические возмущения. Наиболее хорошо исследованы одиннадцатилетние циклы, которые прослеживаются на протяжении многих столетий.

Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных проявлений солнечной активности, т.е. всей совокупности наблюдаемых изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце. Самым долговременным индексом солнечной активности считаются солнечные пятна. Ещё в 1848 году Вольф показал, что относительные числа солнечных пятен, претерпевают циклические колебания, причем средняя длина этого цикла составляет 11.1 года. Несмотря на то, что периодичность солнечных циклов обнаружена довольно давно, остаётся открытым вопрос о том, что считать минимумом солнечного цикла. В течение времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько .необычных периодов пониженной солнечной активности. Один из таких периодов -минимум Дальтона на стыке XVIII - XIX столетий, с которым связана так называемая фазовая катастрофа в солнечных циклах.

Изучение Солнца и солнечно-земных связей ведется наземными и космическими средствами наблюдений. При этом за последние годы наиболее значительные результаты достигнуты здесь благодаря новым космическим исследованиям на таких аппаратах, как GOES, SOHO, TRACE, КОРОНАС.

Многие виды наблюдений возможны только из космоса и этим определяется незаменимое место таких исследований в физике Солнца и в солнечно-земной физике. Все возрастающее понимание влияния факторов «космической погоды» на геосферу и различные сферы человеческой деятельности определяет практическое значение исследований в этой области.

Исследование экстремально сильных возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере представляет большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Все наиболее сильные гелиосферные и магнитосферные возмущения имеют свои причины на Солнце, которые часто ассоциируются с теми или иными наблюдательными признаками и проявлениями солнечной активности.

В настоящее время после наблюдения в 2003-2006 году экстремальных по своей силе возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.

Цель работы

Основной целью диссертационной работы является анализ накопленного материала об условиях экстремально сильной и слабой солнечной активности, выяснение их причин и движущих сил. Поставлена задача ретроспективного исследования и детального рассмотрения отдельных ситуаций и событий, наблюдавшихся в цепочке солнечно-земных связей.

Научная новизна

1) На основе анализа расширенного набора данных о распределении солнечных пятен по широте для последних 12 циклов заново определены моменты времени для минимумов циклов солнечной активности. Уточнения проводятся отдельно для северной и южной полусфер Солнца. Получено обобщение правила Вальдмайера для чисел Вольфа с учётом новых

последних циклов, и подтверждение для двух других индексов солнечной активности. На этой основе впервые показано, что введение гипотетически "потерянного" солнечного цикла в период экстремально низкой солнечной активности (минимум Дальтона) противоречит этому твёрдо установленному правилу.

2) Впервые проведен статистический анализ экстремальных возмущений солнечной активности по совокупности трёх основных характеристик "космической погоды", важных в научных и прикладных задачах (рентгеновское излучение, поток энергичных протонов, геомагнитные возмущения).

3) Собраны и проанализированы новые данные об экстремально сильных проявлениях солнечной и гелиосферной активности в 2003-2006 г. Эти проявления оказались рекордными по величине целого ряда параметров.

Научная и практическая значимость работы

I

1) Данное исследование позволяет лучше понять как отдельные ситуации и события на Солнце и в гелиосфере во время экстремально высокой солнечной активности, так и глобальную картину изменений и асимметрии Солнца в эти периоды.

2) Проведённое исследование необходимо для более детального описания

I

циклических процессов на Солнце и для прогнозов следующих циклов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Уточнены моменты времени для минимумов циклов солнечной активности

I

на основе анализа расширенного набора данных о распределении солнечных пятен по широте для последних 12 циклов. Уточнения проводятся отдельно для северной и южной полусфер Солнца. Показано, что нарастание числа групп пятен происходило в среднем за 12 циклов на полгода быстрее в южном солнечном полушарии. Правило Вальдмайера обобщено с учётом новых последних циклов для чисел Вольфа. Установлено, что это правило

5

справедливо и для других индексов солнечной активности. Показано, что гипотеза о потерянном солнечном цикле противоречит установленному правилу.

2. Составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий за период с 1859 по 2006 год. На этой основе сделан вывод, о том, что наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем основным параметрам.

3. Большое физическое разнообразие экстремально сильных проявлений солнечной активности не сводится к каким-либо универсальным сценариям. На примере событий 2003 года показано, что возрастание солнечной активности в такие периоды носит не только локальный характер, но является и глобальным.

Достоверность

• Достоверность результатов подтверждается выбором наиболее надёжных данных, проверенных методов обработки и соответствием с результатами других авторов в тех случаях, когда это было возможно сделать.

• Особое внимание в работе обращено на критический анализ недостоверных гипотез.

Методы исследования

В диссертационной работе использовались методы компьютерного моделирования, стандартные статистические методы, строгие результаты теории вероятности и математической статистики.

Вклад автора

Автор принимал участие в постановке задач и выборе метода их решения. Проделал большую работу по обработке и анализу экспериментального материала. Вклад автора в осуществление расчётов и анализ результатов является определяющим. При анализе полученного материала автором привлекались данные, полученные в проектах "КОРОНАС", GOES, SOHO,

АСЕ и WIND, а также работы других авторов, посвященные исследованию солнечных экстремальных событий.

Апробация работы

Результаты, полученные в настоящей диссертации, доложены на 7

всероссийских и международных конференциях:

1. 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 18-25 July 2004.

2. Ломоносовские чтения 2004.

3. IX Пулковская международная конференция "Солнечная активность как фактор космической погоды", 4-9.07.2005, Санкт-Петербург, ГАО РАН.

4. Всероссийская конференция "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности", ¡10-15.10.2005, г. Троицк, ИЗМИРАН.

5. X Пулковская международная конференция по физике Солнца, "Квазипериодические процессы на Солнце и их геоэффективные проявления", 6-8 сентября, 2006г., Санкт-Петербург.

6. Всероссийская конференция "Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности", 28 сентября- 2 октября 2006 г., Нижний Архыз.

7. Конференция-совещание по программе ОФН-16 «Плазменные процессы в Солнечной системе», 12-16 февраля, 2007 г., ИКИ РАН, Москва.

Публикации

Основные результаты изложены в 9 публикациях, в том числе 6 в рецензируемых журналах и 3 в трудах российских и международных конференций.

Структура работы

Диссертация состоит из 3 глав, а также введения и заключения.

Краткое содержание работы

Во введении сформулирована цель работы, обосновывается ее актуальность; описывается структура и приводится краткое содержание диссертации; приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 "Экстремально низкая солнечная активность" излагаются общие сведения о циклах солнечной активности, а также обобщаются основные правила, описывающие цикличность.

В разделе 1 главы 1 "Уточнение моментов времени для минимумов циклов солнечной активности" вычислены значения моментов времени минимумов циклов солнечной активности по диаграммам "бабочек Маундера" для северной и южной полусфер Солнца на основе метода кластеризации. Работа проведена для последних 12 циклов.

Показано, что такое вычисление отдельно для каждой полусферы Солнца является более целесообразным для более детального понимания поведения солнечной активности. Так, например, для самого мощного 19 солнечного цикла определяющую роль пятнообразования сыграло северное полушарие Солнца. Показано, что в среднем за 12 циклов нарастание числа групп пятен происходило на полгода быстрее в южном солнечном полушарии.

В разделе 2 главы 1 "Правило Вальдмайера и гипотеза о потерянном солнечном цикле" описывается методика обобщения и уточнения правила Вальдмайера. Самым долговременным индексом солнечной активности считаются солнечные пятна. Одним из первых в телескоп их наблюдал Галилей в 1610 г., а в 1848 г. Вольф предложил индекс для характеристики солнечной активности - так называемое число Вольфа или относительное цюрихское число солнечных пятен. Он показал, что относительные числа солнечных пятен, точнее, числа Вольфа претерпевают циклические колебания, причём средняя длина этого цикла составляет 11.1 года. Обратное отношение между продолжительностью солнечных циклов и их амплитудой было отмечено очень давно. Это одно из основных свойств 11-летнего цикла, состоящее в том, что с

ростом высоты максимума цикла продолжительность ветви роста убывает. По-видимому, это правило является проявлением нелинейности физических процессов на Солнце. Вальдмайер предложил эмпирическую формулу, которая описывает этот факт. Подтверждается и обобщается подобная зависимость для трёх индексов солнечной активности: чисел Вольфа, групп солнечных пятен и площадей пятен на разных временных шкалах (с 1500 года по 2005 год). В работе используются три индекса солнечной активности:

1) Число Вольфа (W): W=k(f+10g), где f - общее число пятен на видимой полусфере Солнца, g - число групп пятен, к - коэффициент (обычно < 1), учитывающий суммарный вклад условий наблюдений, тип телескопа, и приводящий наблюдаемые величины к стандартным цюрихским числам. Сглаженные числа Вольфа представлены на сайте ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/SUNSPOT_NUMBERS.

2) Группы солнечных пятен (GSN ряд- Rg). Этот новый ряд, введённый Хойтом и Шатеном в 1998г., состоит из 455242 наблюдений, произведёнными 463 наблюдателями, т.е. наблюдений на 80% больше, чем во временном ряде чисел Вольфа. Данные по группам солнечных пятен представлены на ftp://ftp.ngdc.noaa.eov/STP/SOLAR DATA/SUNSPOT NUMBERS/GSN.

3) Суммарные площади солнечных пятен S(t) считаются физически более естественным индексом, связанным с крупномасштабным потоком низкоширотного глобального магнитного поля Солнца. База данных

представлена на http://www.gao.spb.in/database/esai/.

i

Учитывая эти новые индексы солнечной активности, подтверждается и уточняется эмпирическая формула Вальдмайера для разных временных рядов.

В диссертации получены следующие приближения:

- для чисел Вольфа на основе данных о 24 циклах т = 41,5Wm~1/2+0.3

¡- для групп солнечных пятен (17 циклов) т = 27Rg~1/2 + 2

- для площади солнечных пятен (17 циклов) т = 55 S-"2 + 3

В течение всего времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько необычных периодов. Один из таких периодов - минимум Дальтона на стыке XVIII - XIX столетий.

Период 1790-1794 в начале минимума Дальтона был плохо охвачен наблюдениями солнечных пятен. Исходя из этого, Усоскин и др. предложили гипотезу, что один солнечный цикл был потерян в начале минимума Дальтона в течение 1790-ых годов. Авторы гипотезы анализировали данные прямых наблюдений чисел солнечных пятен, которые были очень ненадежны из-за редких наблюдений в течение этого периода времени. Они предположили, что солнечный цикл № 4 по цюрихской нумерации (наиболее продолжительный за последние 300 лет) - фактически суперпозиция двух циклов: нормального цикла 1784-1793, и нового слабого цикла 1793-1800. Мотивировка для введения дополнительного цикла объясняется тем, что тогда разрешается так называемая фазовая катастрофа. Существует правило Гневышева-Оля, по которому 11 летние циклы солнечной активности объединяют в пары. Оно гласит, что "22-летний цикл начинается чётным циклом относительно малой величины, после которого следует нечётный больший цикл, величина которого определяется предыдущим циклом, что указывает на тесную физическую связь между ними". Ещё в 1948 году Гневышевым и Олем было отмечено, что хотя пара циклов (№4, №5) нарушает сформулированную зависимость, тем не менее, все пары циклов как до, так и после этой пары циклов, укладываются в найденную ими закономерность. Следовательно, если ввести дополнительный цикл, изменив таким образом нумерацию хода циклов, то правило Гневышева-Оля сохраняется на протяжении 400 лет.

В диссертации проанализирована гипотеза о потерянном солнечном цикле с точки зрения правила Вальдмайера и показано, что введенный гипотетический цикл заметно нарушает это надежно установленное правило, которое действует с 1500 года для разных индексов солнечной активности. Гипотеза о том, что один солнечный цикл был "потерян" в конце XVIII веке (минимум Дальтона),

удаляет чрезвычайно длинный солнечный цикл 4 (его продолжительность была приблизительно 14 лет) и вводит вместо него два более коротких цикла (№4', №5). Эти гипотетические новые циклы (№4', №5) являются также

I

экстремальными, но смещенными в противоположную сторону статистического распределения продолжительностей до 7 лет, тогда как самые вероятные продолжительности солнечных циклов составляют в среднем - приблизительно 10-11 ¡лет.

В главе 2 "Экстремально сильные возмущения" описываются параметры для определения экстремально сильных возмущений, а также методы для их статистического анализа, применённые в работе.

Исследование экстремально сильных возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере представляет большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Все наиболее сильные гелиосферные и магнитосферные возмущения имеют свои причины на Солнце, которые часто ассоциируются с теми или иными наблюдательными признаками и проявлениями солнечной активности.

Состояние космической погоды в настоящее время оценивается по пятибалльной шкале NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) по

следующим параметрам:

|

1) рентгеновский балл (R1-R5) - максимальная интенсивность электромагнитного излучения Солнца, измеренного на околоземной орбите в диапазоне мягкого рентгеновского излучения 1 - 12,5 кэВ, на длине волны - 0,10,8 нм. Воздействие максимальных интенсивностей приводит к внезапным

ионосферным возмущениям, нарушениям радиосвязи. Для работы

i

использовались события, соответствующие баллам R4-R5;

2) солнечные протонные события (S1-S5) - измерение потока протонов на околоземной орбите, в единицах pfu (число протонов, в данном случае с энергией > 10 МэВ через 1 см2 за 1 с в стерадиане). Воздействия событий баллов S2-S5 приводит к нарушениям радиосвязи на полярных трассах, а также

радиационному риску для космонавтов. Для работы использовались события балла 83-Б4, так как события балла Б5 пока не наблюдались;

3) геомагнитные бури (01-05) - возмущение геомагнитного поля как результат воздействия на магнитосферу потока солнечной плазмы с повышенной плотностью, температурой, скоростью частиц и с южной ориентацией Вг-компоненты межпланетного магнитного поля. Баллы определяются по значениям трёхчасового геомагнитного индекса Кр. В работе используются события баллов 04-С5.

Таким образом, можно было бы определить экстремальные события как большие мощные вспышечные явления, следствием которых в околоземном космическом пространстве является осуществление максимальных возмущений во всех трех позициях, 115, 85, 05. Однако, за весь период наблюдений, начиная со знаменитой кэррингтоновской бури 01.09.1859 г. событий баллов Я5, Б4 (события с Б5 не наблюдались), 05 всего два: август 1972 года и октябрь 2003. Поэтому в данном исследовании событие называется экстремальным, если хотя бы один из параметров Я, 8, в достигает баллов 4 и 5. В процессе работы над диссертацией была составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий при описаннм выше определении с 1859 по 2006 год.

Для получения более продолжительного ряда экстремальных событий проведено сопоставление геомагнитных индексов Аа и Ар и установлена связь между ними с помощью метода наименьших квадратов:

Аа=1.7Ар+1.9

Дело в том, что Ар-индекс - значение вариации магнитного поля по среднеширотным обсерваториям - вычисляется по индексам Кр, оценки которого ведутся с 1932 года, а Аа-индекс - аналогичен индексу Ар, но вычисляется по данным антиподальных обсерваторий в Гринвиче и Мельбурне, его оценки ведутся с 1867 года. Исходя из этого соотношения, для экстремальных событий (в данном случае сильных геомагнитных бурь) для

раннего периода наблюдений, когда не был введён индекс Ар, можно применять Аа индекс.

Несмотря па то, что статистика экстремальных событий невелика, мы попытались рассмотреть, как ведут себя отобранные 85 событий с точки зрения распределения по баллам Для этого каждый из параметров Я, 5, О, МОЖНО представить как вектор в обобщённом пространстве событий ИЗО. Значения параметров КБО рассматриваются как три координаты в этом пространстве. Зафиксировав поочерёдно значения К. 5, О была построена карта плотностей событий в плоскостях ЗС, ЯС, ШЗ соответственно для разных баллов фиксированных параметров. Наибольшая плотпость для всех рассматриваемых событий находится а правом верхнем углу для каждого параметра (рис. 1).

Рис.1 Карты п.топюсти распределения событий для рачпых баллов фиксированных значений R, S и G соответственно Сечение "объёма событий" плоскостями S, К, G и обобщенном координатном пространстве: а) график R(S), б) график ü(R), d) график SfG)

•тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем позициям

Это свидетельствует о том, что, несмотря на сложившееся мнение о многообразии вспышек и корональных выбросов массы без их дальнейших проявлений в околоземном пространстве, а также сильных геомагнитных бурь без значимых проявлений на Солнце, статистика таких событий для экстремальных возмущений незначительна. Данное утверждение подтверждается также простым распределением по количеству экстремальных событий для каждого параметра Я, Б, в, которое демонстрирует статистическое преимущество событий высоких баллов 3-5 над 1 и 2.

Таким образом, несмотря на небольшую статистику экстремальных событий, наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем основным параметрам. Выполненное исследование даёт дополнительные весомые аргументы в пользу статистических принципов прогнозирования, основанных на так называемом "синдроме большой вспышки". Согласно этому принципу, наибольшие геоэффективные события связаны с наибольшими вспышками.

Это же исследование убедительно показывает, что так называемые "проблемные геомагнитные бури", то есть возмущения на Земле при отсутствии сильных эрупций на Солнце, не бывают экстремально мощными. Данный вывод принципиально важен для практики. Он развенчивает миф о возможной опасности "проблемных бурь". В научном плане эти выводы подтверждают современные физические представления о солнечной активности как следствии процессов выделения и диссипации свободной энергии из-под фотосферных источников, рассматриваемых в их единстве с вышележащей динамической солнечной атмосферой.

На спаде последнего 23 его солнечного цикла в 2002-2005 годах на Солнце произошли экстремальные по своей силе возмущения, которые проявились как в гелиосфере и магнитосфере, так и на Земле. Таким образом, стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.

В главе 3 "Экстремальные события в 23-м солнечном цикле" даётся детальное описание экстремальных проявлений солнечной активности за период с 1997 по 2004 год на основе новых данных со спутников SOHO, TRACE, КОРОНАС-Ф, АСЕ и WIND.

Проанализированы солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23-его солнечного цикла. Проведён комплексный анализ данных о сильных солнечных и гелиосферных возмущениях в 2003-2004 годах: Представлен новый наблюдательный материал о явлениях экстремально высокой активности на Солнце и в гелиосфере, имевших место в 2003г. Эти проявления оказались рекордными по величинам целого ряда параметров. На основе этой информации и сравнения с другими подобными ситуациями, имевшими место в прошлом, а также с использованием имеющихся теоретических представлений, обсуждаются возможные причинно-следственные связи | между наблюдаемыми процессами. Проведенное рассмотрение не

I

оставляет сомнений в том, что физические причины солнечных и гелиосферных явлений в октябре-ноябре 2003 г. не являются исключительно локальными и относящимися лишь к активным областям и солнечной атмосфере над ними. Энергетические резервуары и движущие силы этих процессов носят более глобальный характер и во многом скрыты от наблюдателя, поскольку, в конечном счете, их источники лежат в подфотосферных слоях Солнца, где иногда могут происходить и действительно происходят достаточно быстрые, неожиданные и трудно предсказуемые изменения. Солнечные пятна могут служить неплохими трассерами этих внезапных изменений и перестроек на Солнце, хотя можно указать и другие диагностические признаки в параметрах магнитных полей, движений вещества и характеристиках излучений. По целому ряду, солнечных и гелиосферных параметров рассматриваемый интервал времени является уникальным за все время наблюдений.

Причиной сильных геомагнитных бурь в октябре-ноябре 2003 года явились порожденные этой нестационарной ситуацией на Солнце корональные

выбросы масс, принесшие с собой быстрые потоки плазмы с достаточно сильными и длительными магнитными полями южной ориентации в гелиосфере.

Проанализирована способность солнечных и межпланетных явлений возбуждать геомагнитные бури на примере отдельных экстремальных событий в октябре-ноябре 2003г. и ноябре 2004г. Выявлено, что для экстремальных возмущений чётко прослеживаются следующие особенности в развитии геомагнитной бури: отрезки времени с отрицательным значением северо-южной составляющей межпланетного магнитного поля приводят к усилению геомагнитного возмущения. Периоды времени с положительным значением этой составляющей приводят к ослаблению возмущения. Таких участков на временном профиле Бе! индекса геомагнитной активности для периода 7-12 ноября 2004 насчитывается около десятка. Все эти участки отвечают указанному условию прерывания или приостановки развития геомагнитной бури. Таким образом, был сделан вывод, что можно восстановить по наземным магнитограммам условия в межпланетной среде, когда они были недоступны для наблюдений.

Выявлены и исследованы проявления глобальной асимметрии Солнца в исследуемый промежуток времени, обусловленные процессами в его недрах и видимые в солнечной атмосфере и гелиосфере благодаря вращению Солнца как частично повторяющиеся рекуррентные события. В октябре-ноябре 2003 года имели место глобальные изменения яркости во всех спектральных диапазонах электромагнитного излучения Солнца, носившие асимметричный характер по гелиодолготе. Явление сопровождалось рекордными по своей силе процессами выделения энергии в виде корональных выбросов массы и солнечных вспышек, причем наиболее мощные из них произошли на той стороне Солнца, которая и без того имела в целом повышенную яркость и повышенный контраст отдельных элементов в виде активных областей и корональных дыр. В параметрах излучения солнечной атмосферы, потоков плазмы солнечного ветра

и гелиосферного магнитного поля прослеживается связанная с этим картина в виде суперпозиции коротирующих и спорадических возмущений, частично скореллированных между собой.

I

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, приводимые ниже.

Основные результаты и выводы работы

1. Уточнены моменты времени для минимумов циклов солнечной активности на основе данных о распределении солнечных пятен по широте отдельно для северной и южной полусфер Солнца за 12 последних циклов. Показано, что в среднем за 12 циклов нарастание числа групп пятен происходило на полгода быстрее в южном солнечном полушарии.

2. Правило Вальдмайера обобщено с учётом новых последних циклов для чисел Вольфа. Проверено, что это правило справедливо и для других индексов солнечной активности. Показано, что гипотеза о потерянном солнечном цикле противоречит установленному правилу.

3. Впервые выполнен статистический анализ экстремальных возмущений солнечной активности по совокупности трёх основных параметров, широко используемых в научных и прикладных задачах. Составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий за период с 1859 по 2006 года и на этой основе сделан вывод, о том, несмотря на то, что статистика мала, наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем позициям.

4. На примере событий 23-го солнечного цикла, который, благодаря новым космическим исследованиям, является наиболее репрезентативным, сделан вывод, что большое физическое разнообразие экстремальных событий не сводится к каким-либо универсальным сценариям. На примере 2003 года показано, что возрастание солнечной активности в такие периоды носит не только локальный характер, но и является глобальным.

5. Выполненное исследование экстремально сильных возмущений даёт дополнительные весомые аргументы в пользу статистических принципов прогнозирования, основанных на так называемом "синдроме большой вспышки". Согласно этому принципу, наибольшие геоэффективные события связаны с наибольшими вспышками. Это же исследование убедительно показывает, что так называемые "проблемные геомагнитные бури", то есть возмущения на Земле при отсутствии сильных эрупций на Солнце, не бывают экстремально мощными. Данный вывод принципиально важен для практики.

Список публикаций автора по теме диссертации

1. В. Ботмер, И.С. Веселовский, A.B. Дмитриев, А.Н. Жуков , П. Каргилл, Е.П. Ромашец, О.С. Яковчук, Солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23 солнечного цикла.// Астрономический вестник. 36(6), 539-547, 2002.

2. О. Panasenco, I.S. Veselovsky, A.V. Dmitriev, A.N. Zhukov, O.S. Yakovchouk, I.A. Zhitník, A.P. Ignat'ev, S. V. Kuzin, A.A. Pertsov, V.A. Slemzin, S.I. Boldyrev, E.P. Romashets, A. Stepanov, O.I. Bugaenco, V. Bothmer, S. Koutchmy, A. Adjabshirizadeh, 2. Fazel, S. Sobhartian, Solar origins of intense geomagnetic storms in 2002 as seen by the CORONAS-F satellite. // Adv. Space Res. 36(8), 1595-1603,2005.

3. I.S. Veselovsky, V. Bothmer, P. Cargill, A.V. Dmitriev, K.G. Ivanov, E. Romashets, A.N. Zhukov, and O.S. Yakovchouk, Magnetic storm cessation during sustained northward IMF. // Adv. Space Res. 36 (12), 2460-2464, doi: 10.1016/j.asr.2004.06.020., 2005.

4. И.С. Веселовский, A.B. Дмитриев, И.А. Житник, А.Н. Жуков, М.А. Зельдович, C.B. Кузин, A.A. Наумкин, И.Г. Персианцев, А.Ю. Рязанов, Ю.С. Шугай, О.С. Яковчук, С.А. Богачев, C.B. Шестов. Глобальные изменения и асимметрия Солнца в период экстремально высокой активности в октябре-ноябре 2003 г. // Астрономический вестник 39 (3), 195-201, 2005 (English translation: I.S. Veselovsky, Global Variations and Asymmetry of the Sun During Extremely High Activity in October November 2003, Solar System Research, 39, Issue 3, 169-175, 2005).

5. И.С. Веселовский, M.И. Панасюк, С.И. Авдюшин, Г.А. Базилевская, A.B. Белов, С.А. Богачев, В.М. Богод, A.B. Богомолов, Ф. Ботмер, К.А. Боярчук,

0 И. Бугаенк., Э.В. Вашенюк, В.И. Власов, A.A. Гнездилов, Р.В. Горгуца,

B.В. Гречнев, Ю.И. Денисов, A.B. Дмитриев, М. Драйер, Ю.И.Ермолаев, Е.А Ерошенко, И А. Житник, А Н. Жуков, Г.Н. Застенкер, J1.M. Зеленый,

MA. Зельдович, Г.С. Иванов-Холодный, А П. Игнатьев, В.Н. Ишков, О П.

1

Коломийцев, И.В. Крашенинников, К. Кудела, Б.M Кужевский, СВ. Кузин, В Д. Кузнецов, С.Н. Кузнецов, В.Г. Курт, JI.JÏ. Лазутин, JI.H. Лещенко, М.Л. Литвак, Ю.И. Логачев, Г. Лоуренс, А.К. Маркеев, B.C. Махмутов, A.B. Митрофанов, И.Г. Митрофанов, О.В. Морозов, И.Н. Мягкова, A.A. Нусинов, С.Н. Опарин, O.A. Панасенко, A.A. Перцов, А.А.Петрукович, А.Н. Подоролъский, Е.П. Ромашец, С.И. Свертилов, П.М. Свидский, А.К. Свиржевская, Н.С. Свиржевский, В.А. Слемзин, 3. Смит, ИИ. Собельман, Д.Е. Соболев, Ю.И. Стожков, A.B. Суворова, Н.К. Суходрев, И.П. Тиндо,

C.Х. Тохчукова, В.В. Фомичев, И.В. Чашей, И.М. Черток, В.И. Шишов, БЮ. Юшков, О.С. Яковчук, В.Г. Янке Солнечные и гелиосферные явления в октябре-ноябре 2003 г.: причины и следствия // Космические исследования, 42 (5), 453-508, 2004 (English translation: I.S.Veselovsky, Solar and heliospheric phenomena in October-November 2003: causes and effects, Cosmic Res., 42(5), 435-488, 2004).

6. Ю.И. Ермолаев, JI.M. Зеленый, Г.Н. Застенкер, A.A. Петрукович, М.Ю. Ермолаев, Н.С. Николаева, М.И. Панасюк, С.Н. Кузнецов, И.Н. Мягкова, Е.А. Муравьева, Б.Ю. Юшков, И.С. Веселовский, A.B. Дмитриев, А.Н. Жуков, О.С. Яковчук, В.Д. Кузнецов, И.М. Черток, В.Н. Ишков, A.B. Белов, Е.А. Ерошенко, В. Г. Янке, С.П. Гайдаш, Х.Д. Канониди, C.B. Кузин, И.А. Житник, А.П. Игнатьев, В.А. Слемзин, Н.К. Суходрев, С.А. Шестов, М.В. Еселевич, В.Г. Еселевич, Г.В. Руденко, В.М. Дворников, В.Е. Сдобное, М.В. Кравцова, В.М. Богод, B.C. Котельников, JI.A. Першаков, М.И. Белоглазое, В.И. Власов, И.В. Чашей, Н.Г. Клейменова, О.В. Козырева, В.И. Козлов, В.А. Пархомов, Ю.А. Кугаенко, Р.З. Хисамов, B.JI. Янчуковский, К. Кудела, Год спустя: Солнечные, гелиосферные и магнитосферные возмущения в ноябре 2004г. // Геомагнетизм и Аэрономия, 6, 723-763, 2005.

7. Ф. Ботмер, И. С. Веселовский, A.B. Дмитриев, А.Н Жуков, П Каргилл, О Панасенко, Е П. Ромашец, О С. Яковчук, Солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений в 2002 году. // Изв КрАО. 100, 203, 2004.

8. И.С. Веселовский, О.С. Яковчук, Некоторые физические особенности возмущений на Солнце и в гелиосфере // "IX Пулковская международная конференция по физике Солнца: Солнечная активность, как фактор космической погоды." Санкт-Петербург, 4-9 июля 2005 г., Труды, 303-308,2005.

9. О.С. Яковчук, И.С. Веселовский, Правило Вальдмайера и гипотеза о "потерянном" солнечном цикле в минимуме Дальтона. // "X Пулковская международная конференция по физике Солнца: Квазипериодические процессы на Солнце и их геоэффективные проявления ", Санкт-Петербург. 6-8 сентября 2006, Труды, 155-162, 2006.

Работа поступила в ОНТИ апрель 2007 г. Цифровая печать. Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии «КДУ» Тел. (495) 939-40-36. E-mail: press@kdu.ru

Введение

Основные положения, выносимые на защиту

Глава 1 Экстремально низкая солнечная активность

1.1 Уточнение моментов времени для минимумов циклов солнечной активности

1.2 Правило Вальдмайера и гипотеза о потерянном солнечном цикле

1.2.1 Данные

1.2.2 Правило Вальдмайера для различных индексов

1.2.3 Потерянный цикл в начале минимума Дальтона

1.3 Выводы

Глава 2 Экстремально сильные возмущения

2.1 Введение

2.2. Формирование базы данных экстремальных событий 29 2.2.1 Реконструкция экстремальных событий на основе связи Ар и Аа индексов геомагнитной активности

2.3 Статистические свойства экстремально сильных возмущений 35 2.4. Статистика времени рекуррентности экстремальных событий

2.4 Выводы

Глава 3 Экстремальные события в 23м солнечном цикле

3.1 Солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23-его солнечного цикла

3.1.1. Данные и анализ

3.1.2. Выводы

3.2 Экстремальные события октября-ноября 2003 года

3.2.1. Ретроспективное сравнение рассматриваемых событий

3.2.2. Характеристика сильных геомагнитных и ионосферных бурь в октябре-ноябре 2003 года

3.2.3. Солнечные и гелиосферные явления, ответственные за сильные геомагнитные возмущения в 2003 году

3.2.4. Выводы

3.3 Экстремальные события 2004 года 74 3.3.1. Солнечные наблюдения

3.3.2 Динамика солнечной активности по данным наблюдений комплекса СПИРИТ на ИСЗ КОРОНАС-Ф

3.3.3. Наблюдения гелиосферы

3.4 Отдельные события 2003-2006 годов

3.5 Глобальная асимметрия в период экстремальных проявлений солнечной активности

3.6 Выводы

Уровень Солнечной активности, солнечный ветер, магнитосфера, ионосфера и термосфера существенно влияют на функционирование и надежность космических и наземных техногенных систем, воздействуют на нашу жизнь и здоровье [1,2].

Известно, что солнечная активность и связанные с ней процессы в ближнем космосе испытывают некоторые циклические изменения, на которые бывают наложены сильные и трудно предсказуемые спорадические возмущения. Наиболее хорошо исследованы одиннадцатилетние циклы, которые прослеживаются на протяжении многих столетий.

Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных проявлений солнечной активности, т.е. всей совокупности наблюдаемых изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце. Самым долговременным индексом солнечной активности считаются солнечные пятна. Ещё в 1848 году Вольф показал, что относительные числа солнечных пятен, претерпевают циклические колебания, причём средняя длина этого цикла составляет 11,1 года. Несмотря на то, что периодичность солнечных циклов обнаружена довольно давно, остаётся открытым вопрос о том, что считать минимумом солнечного цикла. В течение времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько необычных периодов пониженной солнечной активности. Один из таких периодов - минимум Дальтона на стыке XVIII - XIX столетий, с которым связана так называемая фазовая катастрофа в солнечных циклах. Экстремально низкие значения максимумов трех циклов этого периода привели даже к дискуссии о «потерянном цикле» [3-5], инициированной в значительной мере фрагментарностью наблюдений за эти годы. Косвенные данные указывают, что экстремально низкая активность проявлялась, по меньшей мере, несколько раз в форме так называемых Gra/jJ-минимумов (Маундера, Шперера, Вольфа). Самым известным из них является ближайший по времени Маундеровский минимум (1645-1715гг.), приходящийся на эпоху ранних телескопических наблюдений [6].

В настоящее время изучение Солнца и солнечно-земных связей ведется как наземными, так и космическими средствами наблюдений. При этом за последние годы наиболее значительные результаты достигнуты здесь благодаря новым космическим исследованиям на таких аппаратах, как GOES, SOHO, TRACE, КОРОНАС. Многие виды наблюдений возможны только из космоса и этим определяется незаменимое место космических исследований в физике Солнца и в солнечно-земной физике. Все возрастающее понимание влияния факторов «космической погоды» на геосферу и различные сферы человеческой деятельности определяет практическое значение исследований в этой области.

Исследование экстремально сильных возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере представляет большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Все наиболее сильные гелиосферные и магнитосферные возмущения имеют свои причины на Солнце, которые часто ассоциируются с теми или иными наблюдательными признаками и проявлениями солнечной активности.

После наблюдения в 2003-2006 году экстремальных по своей силе возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.

Основной целью диссертациоиной работы является анализ накопленного материала об условиях экстремально сильной и слабой солнечной активности, выяснение их причин и движущих сил. Поставлена задача ретроспективного исследования и детального рассмотрения отдельных ситуаций и событий, наблюдавшихся в цепочке солнечно-земных связей.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что данное исследование позволяет лучше понять как отдельные ситуации и события па Солнце и в гелиосфере во время экстремально высокой солнечной активности, так и глобальную картину изменений и асимметрии Солнца в эти периоды. Проведённое в данной работе исследование необходимо для более детального описания циклических процессов на Солнце и для прогнозов следующих циклов.

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:

35th COSPAR Scientific Assembly (Paris, France, 2004), Ломоносовские чтения 2004, X Пулковская международная конференция "Солнечная активность как фактор космической погоды" (Санкт-Петербург,2005), Всероссийская конференция "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности" (г. Троицк, ИЗМИРАН. 2005), X Пулковская международная конференция по физике Солнца, "Квазипериодические процессы на Солнце и их геоэффективные проявления" (Санкт-Петербург, 2006г.),

Всероссийская конференция "Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности" (Нижний Архыз, 2006 г.) Конференция-совещание по программе ОФН-16 "Плазменные процессы в Солнечной системе", (ИКИ РАН, Москва,2007 г.). Основные результаты диссертации достаточно полно представлены в 9 публикациях [7-15], в том числе в 6 рецензируемых журналах и в 3 трудах российских и международных конференций.

Структкра работы: Диссертация состоит из 3 глав, а также введения и заключения.

В первой главе анализируется "Экстремально низкая солнечная активность"

Вычислены значения минимумов циклов солнечной активности по диаграммам бабочек Маундера для каждой полусферы Солнца на основе метода кластеризации. Работа проведена для последних 12 циклов. Показано, что вычисления минимумов отдельно для каждой полусферы Солнца является более целесообразным для более детального понимания поведения солнечной активности. Так, например, для самого мощного 19 солнечного цикла определяющую роль пятнообразования сыграло северное полушарие Солнца. Также показано, что нарастание числа групп пятен происходило в среднем на полгода быстрее в южном солнечном полушарии.

Подтверждается и обобщается правило Вальдмайера об обратной зависимости между продолжительностью солнечных циклов и их амплитудой на разных временных шкалах (с 1500 года по 2005 год). В работе используются три индекса солнечной активности:

1) Число Вольфа (W): W=k(f+10g), где f - общее число пятен на видимой полусфере Солнца, g - число групп пятен, к - коэффициент (обычно < 1), учитывающий суммарный вклад условий наблюдений, тип телескопа, и приводящий наблюдаемые величины к стандартным цюрихским числам. Сглаженные числа Вольфа даны на сайте ftp://flp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLARDATA/SUNSPOTNUMBERS.

2) Группы солнечных пятен (GSN ряд- Rg). Этот новый ряд, введённый Хойтом и Шатеном в 1998 [16], состоит из 455242 наблюдений от 463 наблюдателей, т.е. наблюдений на 80% больше, чем во временном ряде чисел Вольфа. Данные по группам солнечных пятен представлены на ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLARDATA/SUNSPOTNUMBERS/GSN.

3) Суммарные площади солнечных пятен S(t) считаются физически более естественным индексом, связанным с крупномасштабным потоком низкоширотного глобального магнитного поля Солнца. База данных представлена на http ://www.gao.spb.ru/database/esai/.[ 17]

Учитывая эти новые индексы солнечной активности, подтверждается и уточняется эмпирическая формула Вальдмайера для разных временных рядов с использованием новых методов анализа.

В течение времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько необычных периодов. Один из таких периодов - минимум Дальтона на стыке XVIII -XIX столетий. Годы 1790-1794 в начале минимума Дальтона были плохо закрыты наблюдениями солнечных пятен. Исходя из этого, Усоскин и др [3-5] предложили гипотезу, что один солнечный цикл был потерян в начале минимума Дальтона в течение 1790-ых. Они предположили, что солнечный цикл № 4 по цюрихской нумерации (наиболее продолжительный за последние 300 лет) - фактически суперпозиция двух циклов: нормального цикла 1784-1793, и нового слабого цикла 1793-1800. Причина необходимости введения дополнительного цикла объясняется тем, что тогда разрешается так называемая фазовая катастрофа. В диссертации проанализирована гипотеза о потерянном солнечном цикле с точки зрения правила Вальдмайера и показано, что введенный гипотетический цикл заметно нарушает это надежно установленное правило, которое действует с 1500 года для разных индексов солнечной активности.

В главе 2 предпринята попытка статистического анализа экстремальных возмущений солнечной активности, представляющих большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Состояние космической погоды в настоящее время оценивается по пятибалльной шкале NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) по следующим параметрам:

1) рентгеновский балл (R1-R5)- максимальная интенсивность электромагнитного излучения Солнца, измеренного на околоземной орбите в диапазоне мягкого рентгеновского излучения 1-12,5 кэВ, на длине волны - 0,1-0,8 нм. Воздействие максимальных интенсивностей приводит к внезапным ионосферным возмущениям, нарушениям радиосвязи. В данной работе используются баллы R4-R5;

2) солнечные протонные события (S1-S5) - измерение потока протонов на околоземной орбите, в единицах pfu (число протонов, в данном случае с энергией >

10 МэВ через 1 см2 за 1 с в стерадиане). Воздействие событий баллов S2-S5 приводит к нарушениям радиосвязи на полярных трассах, а также радиационному риску космонавтов В работе используются события S3-S4, так как события балла S5 пока не наблюдались;

3) геомагнитные бури (G1-G5) - возмущение геомагнитного поля, как результат воздействия на магнитосферу потока солнечной плазмы с повышенной плотностью, температурой, скоростью частиц и южной ориентацией Bz-компоненты межпланетного магнитного поля. Баллы определяются по значениям трёхчасового геомагнитного индекса Кр. В работе используются события баллов G4-G5.

Таким образом можно было бы определить экстремальные события как большие мощные вспышечные явления, следствием которых в околоземном космическом пространстве является осуществление максимальных возмущений во всех трех позициях, т.е. R5, S5, G5. Однако, за весь период наблюдений, начиная со знаменитой кэррингтоновской бури 1 сентября. 1859 года событий баллов R5, S4 (т.к. событий с S5 не наблюдалось), G5 всего два: август 1972 года и октябрь 2003. Поэтому в данном исследовании событие называется экстремальным, если хотя бы один из параметров R, S, G достигает баллов 4 и 5. В процессе работы над диссертацией была составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий при таком определении с1859 по 2006 год

Несмотря на то, что статистика экстремальных событий невелика, в работе рассмотрено, как ведут себя отобранные 85 событий с точки зрения распределения по баллам R,S,G. Была построена карта плотностей событий в плоскостях SG, RG, RS соответственно для разных баллов фиксированных параметров и показано, что несмотря на сложившееся мнение о многообразии вспышек и корональных выбросов массы без их дальнейших проявлений в околоземном пространстве, а также сильных геомагнитных бурь без значимых проявлений на Солнце, статистика таких событий для экстремальных возмущений незначительна. Таким образом, несмотря на небольшую статистику экстремальных событий, наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем основным параметрам.

На спаде последнего 23 его солнечного цикла в 2002-2006 годах, Солнце проявило экстремальные по своей силе возмущения, которые проявились как в гелиосфере, магнитосфере, так и на Земле. Таким образом, стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.

Поэтому в главе 3 "Экстремальные события в 23м солнечном цикле" даётся детальное описание экстремальных проявлений солнечной активности за период с

1996 года по 2006 год на основе новых данных со спутников SOHO, TRACE, КОРОНАС-Ф, АСЕ и WIND.

Проанализированы солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23-его солнечного цикла. Проведён комплексный анализ данных о сильных солнечных и гелиосферных возмущениях в 2003-2004 годах. Представлен новый наблюдательный материал о явлениях экстремально высокой активности на Солнце и в гелиосфере, имевших место в 2003 году. Эти проявления оказались рекордными по величине целого ряда параметров. На основе этой информации и сравнения с другими подобными ситуациями, имевшими место в прошлом, а также с использованием имеющихся теоретических представлений, обсуждаются возможные причинно-следственные связи между наблюдаемыми процессами. Выявлены и исследованы проявления глобальной асимметрии Солнца в исследуемый промежуток времени, обусловленные процессами в его недрах и видимые в солнечной атмосфере и гелиосфере благодаря вращению Солнца как частично повторяющиеся рекуррентные события. Причиной сильных геомагнитных бурь в октябре-ноябре 2003 явились, порожденные этой нестационарной ситуацией на Солнце, корональные выбросы масс, принесшие с собой быстрые потоки плазмы с достаточно сильными и длительными магнитными полями подходящей южной ориентации в гелиосфере.

Достоверность результатов подтверждается выбором наиболее надёжных данных, проверенных методов обработки и соответствием с результатами других авторов в тех случаях, когда это было возможно сделать. Особое внимание в работе обращено на критический анализ недостоверных гипотез.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы компьютерного моделирования, стандартные статистические методы, строгие результаты теории вероятности и математической статистики.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задач и выборе метода их решения. Проделал большую работу по обработке и анализу экспериментального материала. Вклад автора в осуществление расчётов и анализ результатов является определяющим. При анализе полученного материала автором привлекались данные, полученные в проектах "Коронас", GOES, SOHO, АСЕ и WIND, а также работы других авторов, посвященные исследованию солнечных экстремальных событий.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Уточнены моменты времени для минимумов циклов солнечной активности на основе анализа расширенного набора данных о распределении солнечных пятен по широте для последних 12 циклов. Уточнения проводятся отдельно для северной и южной полусфер Солнца. Показано, что нарастание числа групп пятен происходило в среднем за 12 циклов на полгода быстрее в южном солнечном полушарии. Правило Вальдмайера обобщено с учётом новых последних циклов для чисел Вольфа. Установлено, что это правило справедливо и для других индексов солнечной активности. Показано, что гипотеза о потерянном солнечном цикле противоречит установленному правилу.

2. Составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий за период с 1859 по 2006 год. На этой основе сделан вывод, о том, что наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем основным параметрам.

3. Большое физическое разнообразие экстремально сильных проявлений солнечной активности не сводится к каким-либо универсальным сценариям. На примере событий 2003 года показано, что возрастание солнечной активности в такие периоды носит не только локальный характер, но является и глобальным.

Основные результаты и выводы диссертационной работы можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Уточнены моменты времени для минимумов циклов солнечной активности на основе данных о распределении солнечных пятен по широте отдельно для северной и южной полусфер Солнца за 12 последних циклов. Показано, что в среднем за 12 циклов нарастание числа групп пятен происходило на полгода быстрее в южном солнечном полушарии.

2. Правило Вальдмайера обобщено с учётом новых последних циклов для чисел Вольфа. Проверено, что это правило справедливо и для других индексов солнечной активности. Показано, что гипотеза о потерянном солнечном цикле противоречит установленному правилу.

3. Впервые выполнен статистический анализ экстремальных возмущений солнечной активности по совокупности трёх основных параметров, широко используемых в научных и прикладных задачах. Составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий за период с 1859 по 2006 года и на этой основе сделан вывод, о том, несмотря на то, что статистика мала, наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем позициям.

4. На примере событий 23-го солнечного цикла, который, благодаря новым космическим исследованиям, является наиболее репрезентативным, сделан вывод, что большое физическое разнообразие экстремальных событий не сводится к каким-либо универсальным сценариям. На примере 2003 года показано, что возрастание солнечной активности в такие периоды носит не только локальный характер, но и является глобальным.

5. Выполненное исследование экстремально сильных возмущений даёт дополнительные весомые аргументы в пользу статистических принципов прогнозирования, основанных на так называемом "синдроме большой вспышки". Согласно этому принципу, наибольшие геоэффективные события связаны с наибольшими вспышками. Это же исследование убедительно показывает, что так называемые "проблемные геомагнитные бури", то есть возмущения на Земле при отсутствии сильных эрупций на Солнце, не бывают экстремально мощными. Данный вывод принципиально важен для практики.

Автор хотел бы поблагодарить всех своих коллег, чья помощь способствовала выполнению работы, и в первую очередь своего научного руководителя Игоря Станиславовича Веселовского за постоянное внимание и поддержку. Автор считает своим приятным долгом поблагодарить Н.Г. Макаренко и В.Н. Ишкова за ценные дискуссии, советы и замечания, Ю.С. Шугай за всестороннюю помощь и поддержку, А.А. Проскуриёва за помощь при проведении компьютерных расчётов.

Наконец, спасибо всем сотрудникам Отдела излучений и вычислительных методов НИИЯФ МГУ, особенно В.И. Домрину, за постоянную поддержку и готовность помочь.

Заключение

1. Schwenn R. Space Weather: The Solar Perspective // Liveng.Rev.Solar Phys. 2006. V.3. //http://liwingreviews.org/lrsp-2006-2

2. Pilipenko V.; Yagova N.; Romanova N.; Allen J. Statistical relationships between satellite anomalies at geostationary orbit and high-energy particle // Advances in Space Research. 2006. V. 37. Issue 6. P. 1192-1205.

3. Usoskin I.G., Mursula K, Kovaltsov G.A. Was one sunspot cycle lost in late XVIII century? // Astron.Astrophys. 2001. V.370. L31-L34.

4. I.G. Usoskin, К Mursula, G.A. Kovaltsov Lost sunspot cycle in the beginning of Dalton minimum: New evidence and consequences. // Geophys. Res. Lett. 2002.V.29(24), 2183, doi: 10.1029/2002GL015640.

5. Usoskin I.G., Mursula K., Kovaltsov G.A. The lost sunspot cycle: Reanalysis of sunspot statistics // Astron. Astrophys. 2003 . V. 403, P. 743-748.

6. Эдди Дж. История об исчезнувших солнечных пятнах // Успехи физических наук. 1978.Т.125, С. 315-329.

7. Ботмер В., Веселовский И.С., Дмитриев А.В., Жуков А.Н., Каргилл П., Ромашец Е.П., Яковчук О.С. Солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23 солнечного цикла // Астрономический вестник. 2002. Т. 36. №6. С.539-547.

8. Ботмер Ф., Веселовский И.С., Дмитриев А.В., Жуков А.Н., Каргилл П., Панасенко О., Ромашец Е.П., Яковчук О.С., Солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений в 2002 году // Изв. КрАО. 2004. №100. С. 203.

9. Витинский Ю.И., Солнечная активность //1983. 2 изд. Москва.

10. Гибсон Э. Спокойное Солнце. // 1983. Мир. Москва.20., Витинский Ю.И., Копецкий М., Куклин Г.В. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. // 1968. Наука.

11. Витинский Ю. И. Прогнозы солнечной активности. // 1963. Ак. Наук. Москва.

12. Schove D.J. Sunspot turning points and aurorae since A.D. 1510 //Solar Phys. 1979, V. 63, P. 423-432.

13. Waldmeier, M. The sunspot-activity in the years 1610-1960 // 1961. Schulthess & Co. Zurich.

14. Hale, G. E„ F. Ellerman, S. B. Nicholson, and A. H. Joy, The Magnetic Polarity of Sun-Spots, ApJ, 49,153-178,

15. Carringlon R.C. Observations of the Spots of the Sun, London, P. 264

16. Sporer G. Publ. Potsdam Obs. N5,1880

17. Maunder E.W. The Prolonged Sunspot Minimum // L. Brit. Astron. Ass. 1922 V.32P. 140-145.

18. Lanton P., Curgon P.6 Koeckelenberg A. North-south asymmetry of sunspot cycles.// Solar-terrestrial predictions- IV, Ottawa, Canada, May 18-22, 1992. V.2. P.203-211.

19. Temmer, J. Rybak, P. Bendk, A. Veronig, F. Vogler, W. Otruba, W. Potzi, and A. Hanslmeier Ml Hemispheric Sunspot Numbers Rn and Rs from 1945-2004:Catalogue and N-S asymmetry analysis for solar cycles 18-23 Astronomy & Astrophysics, 2005

20. Dodson H. W. Hedemam E. R. Comments on the Course of Solar activity During the declining phase of Solar Cycle 20 (1970-1974) Solar Physics, 42,121,1975/

21. Newcomb. S., On the period of the Solar Spots, Astrophis. J. 13,1,1901.

22. Maunder , E. W. Sun and sunspots, 1890-1920, Monthly Notices Roy. Astron. Soc. 82, 534,1922

23. Waldmeier, M. Der lange Sonnenzyklus. Zeitschrifl fur Astrophysik, 43, 149, 1957.

24. Waldmeier M. Astr. Mitt. Zurich 1935.14, №133.

25. WaldmeierM. Astr. Mitt. Zurichl968.14, №285.

26. King-Hele D.J. Prediction of Future Sunspot Cycles // Nature, 1963199, 226227.

27. Veselovsky I.S. and Tarsina M.V. Intrinsic nonlinearity of the solar cycles. Adv. Space. Res. 2002. V. 29. N. 3. P. 417-420.

28. Sonett, C. P., The great solar anomaly ca. 1780-1800—an error in compiling the record, J. Geophys. Res. 1983., N. 88 P. 3225- 3228.

29. Гпевышев M.H., Оль А.И. О 22-летнем цикле солнечной активности. // Астрон. журнал. 1948. Т. 25. С. 18 -20

30. Silverman, S. М., The visual aurora as a predictor of solar activity// J. Geophys. Res. 1983. 88(A10) P. 8123-8128,

31. Richardson I. G., Oliver E. W., Сапе H. V. Sources of geomagnetic storms for solar minimum and maximum conditions during 1972-2000 // Geophys. Res. 2001. Lett. V. 28 P. 2569.

32. Ермолаев Ю.И., Ермолаев М.Ю., О некторых статистических взаимосвязях солнечных, межпланетных и геомагнитосферных возмущений в период 1976-2000 годов. 3. // Космич. Исслед. 2003. Т.41. С.539.

33. Lyatsky W., Tan A. Solar wind disturbances responsible for geomagnetic storms //J. Geophys. Res., 108(A3), 1134, doi:10.1029/2001JA005057,2003.

34. Maltsev Y.P. Points of controversy in the study of magnetic storms // Space Science Reviews 2004.V.l 10 N 3-4 P.:227-277.

35. Gonzalez W. D., Dal Lago A., Cliia de Gonzalez A. L., Vieira L. E. A., Tsurutani В. T. Prediction of peak-Dst from halo CME/magnetic cloud-speed observations //Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 2004. V. 66. N2. P. 161-165.

36. Echer E., Gonzalez W. D. Geoeffectiveness of interplanetary shocks, magnetic clouds, sector boundary crossings and their combined occurrence // Geophysical Research Letters. 2004. V. 31 N 9

37. Dmitriev A. V., Crosby N. В., Chao J.-K. Interplanetary sources of space weather disturbances in 1997 to 2000 // Space Weather V.3, S03001, doi: 10.1029/2004SW000104. 2005

38. Kane R. P., How good is the relationship of solar and interplanetary plasma parameters with geomagnetic storms? // J. Geophys. Res. 2005. V.l 10. A02213, doi: 10.1029/2004J AO 10799.

39. Ермолаев Ю.И., Ермолаев М.Ю. О некоторых статистических взаимосвязях солнечных, межпланетных и геомагнитосферных возмущений в период 1976-2000 годов. 3 // Космич. Исслед. 2003. Т.41. № 6. С.539.

40. Schwenn R., Dal Lago A., Huttunen Е., Gonzalez W. D. The association of coronal mass ejections with their effects near the Earth // Annales Geophysicae 2005.V.23 P.1033-1059.

41. Ермолаев Ю.И., Jl.M. Зеленый, Г.Н. Застенкер, A.A. Петрукович, И.Г. Митрофанов, M.JI. Литвак, И.С. Веселовский, М.И. Панасюк, JI.JI.

42. Ишков В.Н. Солнечные экстремальные события: история, осуществление, прогноз.// Солнечно-земная физика. 2005. № 8. С.19-23.61 .Dodson Н. W., Dodson E.R., WDC-A Report UAG-52 1975.

43. Mayaud P.N. Derivation, meaning and use of geomagnetic indices // Geophysical Monograph Series 22, AGU, Washington D.C., 1980, P. 146

44. Gosling, J. T. Correction to "The solar flare myth" // J. Geophys. Res. 1994. N.99. P.4259

45. Hudson, H., Haisch В., and Strong К. T. Comments on "The solar flare myth" // J.Geophys. Res. 1995. N.100. P. 3473.

46. Kahler, S. W. The role of the big flare syndrome in correlations solar energetic proton fluxes and associated microwave burst parameters. // J. Geophys. Res. 87, 3439, 1982.

47. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М.:УРСС,2002. С.358.

48. Голицын Г.С. Землетрясения с точки зрения подобия. ДАН. 1996. Т.346. 4. С.536-539.

49. Wheatland M.S. Distribution of flare energies based on independent reconnecting Structures // Solar Physics 2002. V. 208. P. 33-42;

50. Balasis G. From normal state to magnetic storms in terms of fractal dynamics// arXiv:physics/0411157 2004.

51. Kac M. Bulletin of the American Math. Soc. V.53. 1947. P.1002 Wheatland M.S. Distribution of Flare Energies Based on Independent Reconnecting Structures // Solar Physics 2002. V. 208. P. 33-42;

52. I.Alt man E., Silva E.da, Caldas I. Recurrence time Statistics for finite size intervals. Arxix:nlin.CD/03040274.

53. Altmann E., Kantz H. Recurrence time analysis, long-term correlations, and extreme events/ Arxiv:physics/0503056

54. Burlaga L.F., Fitzenreiter R„ Lepping R., et al. A magnetic cloud containing prominence material: January 1997 // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. Al. P. 277-285.

55. Bothmer V., Schwenn R. The structure and origin of magnetic clouds in the solar wind // Annales Geophysicae.1998. V. 16. P. 1-24.

56. Safrankova J., Nemecek Z, Prech L., et al. The January 10-11, 1997 magnetic cloud: Multipoint measurements // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 14. P. 2549-2552.

57. Webb D.F., Lepping R.P., Burlaga L.F., et al. The origin and development of the May 1997 magnetic cloud //J. Geophys. Res. 2000. V. 105. A12. P. 2725127259.

58. Gopalswamy N., Hanaoka Y., Kosugi Т., et al. On the relationship between the coronal mass ejections and magnetic clouds // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 14. P. 2485-2488.

59. Berdichevsky, D„ Bougeret J.-L., Delaboudiniere J.-P., et al. Evidence for multiple ejecta: April 7-11, 1997, ISTP Sun-Earth connection event // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 14. P. 2473—2476.

60. Kaiser M.L., Reiner M.J., Gopalswamy N., et al. Type II radio emission in the frequency range from 1-14 MHz associated with the April 7, 1997 solar event // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 2501—2504.

61. Иванов К.Г., Ромашец ЕЛ. Вспышечно-волоконно-стримерные межпланетные возмущения // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 3. № 2. С. 3-12.

62. Иванов К.Г., Петров В.Г. МГД-структура предвестников межпланетных и геомагнитных возмущений вблизи гелиосферного токового слоя // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 4. С. 3-10.

63. Thompson В. J., Plunkett S.P., Gurman J.B., et al. SOHO/EIT observations of an Earth-directed coronal mass ejection on May 12, 1997 // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 14. P. 2465-2468.

64. Plunkett S.P., Thompson В .J., Howard R.A., et al. LASCO observations of an Earth-directed coronal mass ejection on May 12, 1997 // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 14. P. 2477-2480.

65. Brueckner G.E., Delaboudiniere J.-P., Howard R.A., et al. Geomagnetic storms caused by coronal mass ejections (CMEs): March 1996 through June 1997. // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 15. P. 3019-3022.

66. Хадсоп и dp.(Hudson H.S., Lemen J.R., St.Cyr O.C., et al. X-ray coronal changes during halo CMEs // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. № 14. P. 24812484.

67. Veselovsky I.S. Turbulence and waves in the solar wind formation region and the heliosphere // Astrophys. and Space Sci. 2001. V. 277. № 1-2. P. 219-224.

68. Cargill P.J. Space Storms and Space Weather Hazards. // Kluwer Academic Publishers, 2001, Dordrecht, Netherlands, 177.

69. Oraevsky V.N., Sobelman I.I. Comprehensive studies of solar activity on the CORONAS-F satellite// Astronomy Letters. 2002. V.28. № 6. 401-410.

70. Zhitnik I., Kuzin S., Bugaenko O. et al. EUV Observations of Solar Corona in the SPIRIT Experiment On Board the CORONAS-F Satellite, XXXIV COSPAR Scientific Assembly, Houston, USA, 10-19 October 2002. To be published in Adv. Space Res., 2003.

71. Zastenker G.N., Temnyi V. V., d'Uston C., Bosqued J.M., The form and energy of the shock waves from the solar flares of August 2,4, and 7. // J. Geophys. Res. 1978. V.83, No.A3, P.1035-1041.

72. Romashets E„ Vandas M„ Nagatsuma T. Evolution of geoeffective disturbances in interplanetary space // Proc. Space Weather Workshop: Looking Towards a European Space Weather Space Programme. ESTEC. TheNetherlands. P. 59-62. 2003.

73. Preliminary Report and Forecast of SOLAR GEOPHYSICAL DATA, Space Environment Services Center; Boulder, Colorado, USA; SESC PRF 823, 824, P. 1.

74. Veselovsky IS. Heliospheric electrojets: their structure and magnetospheric impacts // Proc. 10th European Solar Physics Meeting, ESA SP-506. 2002. P. 37-40.

75. Пудовкин М.И., Зайцева C.A., Олиференко И.П. Магнитное полевспышечного потока // 1977. Изв. АН СССР. Сер. физ. Т. 41. № 2. С. 242251.

76. Черток И. М„ Слемзин В.А., Кузин С.В., Гречпев В.В., Бугаенко О. И., Житник И. А., Игнатьев А.П., Перцов А. А. Солнечное эруптивное событие 4 ноября 2001 г. по данным телескопа СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф // Астрон. Журнал Т. 81. №5. С. 447-458. 2004.

77. Черток И.М., Гречнев В.В. Крупномасштабная солнечная активность в эруптивных событиях ноября 2004 г. по данным УФ телескопа SOHO/EIT //Астрон. журн., в печати, 2005, Т 82. N2. С. 180-192.

78. Kuzin S. V., Zhitnik I. A., Bozhenkov S. A., et al. Diagnostics of solar corona plasma by means of EUV spectroheliograph RES-C on CORONAS-F spacecraft.// COSPAR04-02666; El.9-0027-04,18-25 July, Paris, France, 2004.

79. Еселевич M.B., Еселевич В. Г. Спорадические потоки плазмы и их источники в период чрезвычайной активности Солнца с 26 октября по 6 ноября 2003 г. // Космические исследования. Т.42. № 6. С. 1-13. 2004.

80. CaneH. V., McGuire R. Е., Von Rosenvince Т. Т. Two classes of solar energetic particle events associated with impulsive and long-duration soft X-ray flares// The Astrophysical Journal V.301.P.449. 1986.

81. Sheeley N. R., Jr., Howard R. A., Koomen M. J., Michels D. J., Schwenn R. Doppler scintillation observations of interpanetary shocks within 0.3 AU. // J. Geophys. Res., 1985. V. 90. P. 154.

82. Cane, H. V. , Richardson, I. G. Interplanetary coronal mass ejections in the near-Earth solar wind during 1996-2002 // J.Geophys. Res. V. 108. P. SSH 6-1 (J.Geophys. Res., 108(A4), 1154, doi: 10.1029/2002JA009817) 2003.

83. Sheeley N. R., Jr., Howard R. A., Koomen M. J., Michels D. J. Coronal mass ejection and interplanetary shock // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 163.

84. Akasofu, S.-1., Olmsted, C., Smith, E. J., Tsurutani, В., Okida, R., Baker, D. N. Solar wind variations and geomagnetic storms: A study of individual storms baseded on high time resolution ISEE-3 data // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. P. 325.

85. Eselevich, V. G., Fainshtein, V. G. An investigation of the relationship between the magnrtic storm Dst index and different types of solar wind streams // Ann. Geophysicae. V. 11. P. 678. 1993.

86. Zhitnik I.A., Bougaenko O.I., Delaboudiniere J.-P. et al. SPIRIT X-ray telescope/spectroheliometer results I I Proc. of the 10th European Solar Physics Meeting, ESA SP. 2002. V. 506,915-918.

87. Veselovsky I.S., Zhukov A.N., Dmitriev A. V. et al. Global asymmetry of the Sun observed in the extreme ultraviolet radiation // Solar Phys. 2002. V.201. P. 2736.

88. WierekR.A., Puga L.C. The NOAA Mgll core-to-wing solar index: construction of a 20-year time series of chromospheric variability from multiple satellites // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 9995-10005.

89. Корр. G., Lawrence G.M., Rottman G., Woods Т. II Total solar irradiance observations of the Oct./Nov. 2003 solar flares (http://www.aas.org/publications/baas/V36n2/aas204/233.htm),