Исследование эволюции гелиосферного токового слоя по наземным геомагнитным наблюдениям тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

российская академия наук

институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАПНЕ ЭВОЛЮ1Ц1П ГЕЛИОСФЕРНОГО ТОКОВОГО СЛОЯ ПО НАЗЕМНЫМ ГЕОМА1 НПГНЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ

Специальное и, 01.03.03 -1 слиофишка и фишка солнечной системы

Ан трефераг лпсссрмиии на соискание \чеиой степени каи.тила I а фншко-мак'ма шческих паук

Москва !<)1>6

I'uGoia выполнена а lliiciinyie чемного магпеппма, i : • i s u>cil>cpbi и распространения радиоволн Российской Академии i iayw

i

Научный ру ководи i ель: кандидат фнчнко-магема! и четких lias к

P.A. 1 Члмев

Официальные оппоненты: до1лор фпчнко-мачемашчеекпх наук

K.I . 1 'напои

кандпда г фи invo-y.aiei.wïti'.veKiî:. »as к Д.! 1.1 Ioiiümiíh

Недуl'.ï'S. оргашпаци:.: ¡la* чпо-исслечоиаюдьскяй инепмуг

".îcp.ïoii фишки Мос.\\>;;ско; о f *>суч:'.;>-ciiwiiiioi •• % шшеро: u*:r. üm.NÍ.P» ,'!u'«i-

Í'Í 'wi:;:

: .и--;::.;, "23 аПМсСА • • ч Í4 .

¡::; :: ¡ : ; а ; Днссерк:::.. 'inioi • ! а>:ч- ¡ а Д <)■ i.

iíü^i.üs ¡e ic.síHoi o Mal i ч и "U\ чч ф'_ p.-: i: р.ч ..-.o.' : 1......

>:.;ч<:-0 ¡n i'Aü

А;.р_с: S-!2i)V2, i . i p. ; ч. ■ :¡ • ; t : ; ■■, .. .. .

I !,i: Mc'ipo i ;.""' ' ' ¡ ап". -ч i oós ! ' :> J-1,

n;iaiK.i:¡:a "11'3M; h'A!."

С дг jcepi ainu.i \ы:ч|и> o i ! i: : ч-ч; ¡. ь-.ч. ¡; óüó ;;wt;4 : i'i Mí SI' : ¡ .млч- --.i na ¡.ic-"¡,:í¡ ü mlquncl v

i '...-¡¡Lili CVr.jVi api» .'J¡'. ¡ a. ii^'íü" Ч ч

eOliera IHM! Il'A! i ..г .чиат фтико-ма ícj:.í ¡ пчеекч\ v:

' P ■ --

1чЛ. чр^пепкч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Определяющим элементом межпланетного магнитного поля (ММГ1) является гелиосферныи (или межпланетный) токовый слой (ГГС). Конфигурация межпланетного токовою слоя отражает распределение магнитных полей на Солнце. Характер изменении конфигурации ПС в общих чертах известен. В отличие от конфигурации гелиосфериого слоя закономерности его ориентации в пространстве исследовались мало. Очевидно, что для выявления наиболее общих закономерностей изменения пространственной ориентации, а также конфигурации ITC в цикле солнечной активности необходимо охватить исследованиями несколько 11-летних циклов, т.е. распространить исследование на прошедшие циклы активности, для которых данные о конфигурации гелиосфериого слоя отсутствуют. Выявление общих закономерностей в изменении ориентации и конфигурации ГГС позволяют прогнозировать состояние MMII и форму солнечной короны. Исследование эволюции глобального магнитного поля Солнца имеет важное значение для решения фундаментальной задачи астрофизики -теории солнечного магнетизма и солнечной цикличности.

Цель работы. В связи с вышеизложенным была поставлена задача: найти способ восстановления конфшу рации неГпральнои линии ГГС в прошлом .тля периода, охватывающего несколько циклов солнечной активности; исследовать изменение ориешанни и конфигурации ГГС в рассмотренных циклах акпшносгн; выявить наиболее общие закономерности эволюции ГГС в цикле солнечной активное!п.

Повита ранены заключается в следующем:

1. Автор показал возможность использования данных о вариациях высокоширошого геомагнитного поля ;шя восскшовлсння конфигурации неГпральнои линии ГГС на поверхност источника. Автором предложена методика восскшовлепия конфигурации неГпральнои линии ГГ'С по данным о знаке M.M1I в окрестности Земли, получаемым из наблюдении высокоширотного геомагнитного поля.

2. Восстановлена конфигурация ГГС начиная с 1926г., исключая 2-х лешие интервалы времени, приходящиеся на максимумы 11-лстпих циклов солнечной активности. Представлены синоптические карты конфигурации основания ГГС для 11-летних циклов №№16-20 (19281968гг.).

3. Исследовано изменение пространственной ориентации ГГС в 11-летнем цикле за период, охватывающий семь циклов активности.

4. Выявлены некоторые обшие закономерности и изменении ориентации ITC, повторяющиеся в разных циклах активности.

5. Отмечены "аномальные" особенности во временном ходе параметров, xapai геризующпх ориентацию ГГС в пространстве.

6. Исследовано повеление квадрупольной составляющей ММГ1 в цикле солнечной активности.

7. Показана возможность использования выявленных 'закономерностей эволюции ГГС для прогнозирования состояния МММ и формы солнечной короны.

Научное н практическое значение работы. Полученные в работе результаты позволили проследить эволюцию гелносферного токового слоя в цикле солнечной активности па протяжении семи 11-лепшх и трех 22-летних циклов. Выявленные закономерности в эволюции ITC позволили сделать вывод о том, что изменение ориентации ГТС протекает сходным образом в различных циклах солнечной активности. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при исследованиях в области физики Солнца н солнечно-земных связей. В частности, полученные в работе результаты были использованы при исследовании долгоперподнчных вариаций солнечных космических лучен.

Актор выносит на защиту:

1. Методику восстановления конфигурации нейтральной линии ГГС по геомагнитным данным.

2. Синоптические карты восстановленной конфигурации нейтральной линии ITC за период 1928 - 1968гг.

3. Рсзульаты исследования изменения пространственной ориентации ГГС в цикле солнечной активности.

4. Результаты исследования поведения квадрупольной составляющей межпланетного магнитного поля в цикле солнечной активности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит dio страниц, включая 29 рисунков и приложение па 23-х страницах. В приложении приведены синоптические карты конфигурации нейтральной линии ГГС на поверхности источника за период 1928-1968гг. Список цитируемой литературы содержит 50 названий.

В первой главе представлен обзор работ, посвященных обнаружению и исследованию секторной структуры ММП,

определению конфигурации нейтральном линии ПС па поверхности источника по (пмерепиям фотосферпого магнитного поля и по орбитальным наблюдениям внешней к'ороиы. Здесь же приводится обзор известных результатов исследований эволюции Г'ГС н цикле солнечной активности.

Секторная структура межпланетного магнитного поля была открыта Местом и Вплкоксом. Это явилось результатом анализа экспериментальных данных, полученных с помощью стишков и космических аппаратоп Mariner 2, Mariner 4, IMP I, IMP 2, IMP 3 ra период 1%2-1%6п\ Наблюдаемая карпша смены сек ropo» есть результат пересечения Чемлей нейтральной поверхности ММП.

Существует несколько с г. особой получения информации о структуре ММП на различных расстояниях от Солнца: от солнечной поверхности до 20 а.е. Прежде всего, но наблюдения фотосферных магнитных полей, которые обнаруживают гораздо более сложную структуру, чем межпланетное иоле. Другими индикаюрами структуры МММ могут служить кометы, которые показывают разрывы н изменения направления магнитного ноля, п межпланетные мерцания is радиодиапазопе, позволяющие исследовать структуру скоростей солнечного iieipa, связанную с межплапешым маппппым полем.

Прпводтся обзор работ, и коюрых исследуется эволюция ITC и цикле солнечной активное!и. Такими псследовапиямп был охвачен период времени начиная с 1972г. Для периода до |V72r. такие данные отсуiciBoBa.Tii. В настоящей paöoie исслелованне эволюции 1"ГС продолжено до 1У26г. Таким образом, подобными исследованиями удалось очваппь период времени, равный по продолжительное!!! почт семи 1 Ктепшм циклам солнечно!! акшвпоеш.

Но itiopoii главе исследуется связь магнишого зквазора Солнца со средней плоскоеи.ю ГГС. Внешне средняя плоскосп. ГГС выглядит как жваюр ;nnio.Ti.Hoíí составляющей общего магнитного поля Солнца. Детальное сопоставление ориентации геометрической средней плоскосш ITC с ориентацией экватора Mai тппного диполя показало, что средняя плоскосп. ГГС практически точно совпадает с экватором диполя. Иными словами, средняя плоскость ITC адекватно отражает диполы1\ю cocí лвляюппю межпланетного магнитного ноля. Отсюда следуем, чш общая ориентация ГГС в 3-мерном пространстве, характеризуемая положением средней плоскости, полностью определяемся диполыюй ечкчлнляюшеи магнитного поля. Составляющие более высокого порядка (кладрупольная, октупольная и i .д.) определяю i конфип рацию, но не ориштлппю П'С.

Upiiüo.w i ся данные об изменении параметров у и Ха, характеризующих положение средней плоскосш п пространстве за период 1972-1W?! i. Оказалось, чю шчеиеи:*с «апамсгрмп vi н

течение 11-летнего цикл;?, и общих чертах повторилось п двух циклах солнечной активности Эго обстоятельство явилось основанием для постановки задачи, решенной и пpp;uiai асмой работе.

Треп.« глава посвящена опнеапню методики восстановления конфигурации ITC по геомагнитным данным. Систематические данные о конфигурации ГГС вблизи Солнца существовали с 1972г., т.е. ¡а период, соответствующий двум 11-летним пли одному 22-летнему циклу солнечной активности. В настоящей работе такие данные восстановлены хти периода с 1926г. С этой целью разработан способ, позволяющий восстановить конфигурацию ITC в прошлом на основании информации о полярности ММГ1 вблизи Земли. Такая информация получается in наблюдении за вариациями геомагнитного поля в высоких широтах. Основу методики составляет Фурье-анализ знакопеременного ряда ежедневных значении полярности ММП вблизи Земли. На основе этого ряда задается сигнум-функция (функции знака) s^iV <р(Х). В Фурье-рл зложеппн функции ,s»n ф(Х) оставляем для дальнейшего анализа только первую и вторую гармоники, обозначив их соответственно <pi(X) и ф2(?.)- Тогда имеем

Ф,(?„) + ip2(X) = т *e«s X + hi *s¡n X + ai *cos 2X + h¡ *,ütn 2X.

В силу того, что ряд Фурье в нашем случае аппроксимирует сигнум-функцию, численные значения гармоник ф|(Я) ч ф2(Л) выражаются в относительных единицах.

Чтобы привести эти значения к абсолютным, введем параметр Р, па который следует умножить ф|(л) и ф:(^). Будем считать и первом приближении, что множитель Р изменяется по линейному закону между значениями 90° в максимуме 11-лет пего цикла и 0 в минимуме. 'Такое поведение параметра Р отражает известный факт: наклон экватора магнитного диполя Солнца изменяется п т|кле солнечной активности от нуля в минимуме до 90° в максимуму. Параметр Р определяется выражением Р = 90*|Ф|, где Ф - фаза цикла, определяемая соотношением Ф = (Т - TmM)/(Tm¿\ -ТШш) (обозначения общепринятые). Конфигурация нейтральной лпннп па поверхности источника определяется как зависимость <р(л) - по формуле ф(>„) =

[q>,(X) + <р2(а.)] * Р.

В четвертой главе представлены результаты исследования эволюции ГТС в цикле солнечной активности по геомагнитным данным. Отмечаются некоторые особенности изменения ориентации П^С в пространстве в течение 11-летнего и 22-летнего циклов активности. Это, в первую очередь, колебательный характер

изменения угла наклона оси мапиппого лииоля к оси вращения Солнца (изменение параметра у) и наличие собственного вращения ГТС в кэррппггоновскои системе координат (изменение параметра Ъ>). При этом ,Х'1Я кажлого оборота параметр А соответп пуст кэрриигтоновскон лолготе точки минимума синусоиды с периодом 360° - первой гармоники ф|(А.) и находится из условия (1ф|(Х)/(1Х=0. Значение у находится по формуле у = у„,„.*1\ где у„ш. = ф|(Хо). а I' -введенный выше параметр для перевода относительных величин п абсолютные, Выяснилась, что колебательный характер изменения параметра у повторяйся в каждом 11-летием цикле па протяжении семи циклов солнечной' активности, Замедленное по сравнению с кэррингтоповским вращение ^агпитиого поля Солнца, соответствующее уменьшению параметра X«, также повторялось па протяжении семи П-лепшх циклов, рдиако интервал времени между максимумом активности и началом замедленного вращения магнитного поля отличался „хчя четных и нечетных циклов активности. В этом проявился 22-легни(| период солнечной циклпчпост п.

Здесь же представлены результаты сравнения ориентации мапппного экватора Солнца и конфигурации нейтральной линии ГГС, полученных по геомагнитным данном, с расположением больших шлемовидных лучен во время полных солнечных затмении. Приведены результаты исследования поведения квадрупольпон составляющей ММП в цикле солнечной активности. Изменение квадрунольпон составляющей ММП описывается ' изменением ампли туды в юрой гармоники фД/.) с уче1рм введенного выше параметра 1'. 0каз;1лцеь, что изменение квадрунольнон составляющей ММП также носит колебательный характер, (»дпако это изменение происходит в протпвоф;пе с изменением параметра у. Другими словами, увеличение угла наклона экватора магнитного диполя Солнца сопровождается малым отклонением нейтрально!"! линии от плоскости магнитного экватора.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в работе, и сделаны выводы.

В приложении представлены синоптические карты конфигурации ГГС ;цчя 11-летних циклов ЛуЛ'у 16 - 20 (1928 - Ц)68гг.), полученные по геомагнитным данным.

Основные результаты диссертации:

1. Впервые показана возможность расчета конфигурации нейтральной липни ГГС на поверхности источника по данным о вариациях высокоширотного геомагнитного поля.

2. Предложена методика восстановления конфигурации ГТС по геомагнитным данным.

3. Восааиовлсна конфигурация Г'ГС начиная с 1926г. Представлены синоптические карп.! конфигурации основания ГГС для 11-лсгних циклов .\'Л1>16-20 (1926-1968ir.).

4. Пока tano, что изменение пространственной ориентации ГГС в общих чертах повторялось на протяжении семи 11-лет них циклов активности.

5. Выделены особенности во временном ходе параметров, характеризующихориешацпю ГГС в пространстве.

6. Представлен временной ход амплитуды квадрупольпои-компоненты МММ, которая находится в обрапюй зависимости с изменением угла наклона Mai пигиого диполя Солнца.

' 7. Показана возможность использования выявленных закономерностей эволюции ГГС для npoiпозирования состояния МММ и формы солнечной короны.

Основные результаты дпессришип опубликованы в работах [1-10] и докладывались па научных семинарах Лабораюрии солнечной активности 1ГЗМПРАН, на семинарах по физике Солнца Отделения солнечно-земной физики 1ПМПРА11, на совещании Секции "Солнечный ветер и межпланетное магипшое поле" Национальною геофизическою комитета Российской Академии Паук (Пущнио, 1993г., Москва, 1994г.). иа семинаре Горной асфопомической станции ГАО РАН (Кисловодск, 1995г.), а также были нрелскшлепы в виде стендовых докладов па международных конференциях:

XVII Генеральная ассамблея Европейскою i еофизичеекого общества, Эдинбург, Великобритания, 6-10 апреля 1992г.;

7-я Европейская конференции по физике Солииа, Какшия, Италия, 11-15 мая 1993г.;

Коллоквиум No. 144 Международною асфоиомпческого союза, Татраиска Ломница, Словакия, 20-24 сентября 1993г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вапярха Н.Я. О соотиектвин 1еомефической средней плоскости гелносферного токового слоя дипо.тыюй еоскшляющей ММП.-Соли, данные. 1991. No.12. С. 92 - 95.

2. Gulyaev R.A., Vanyarklia N'.Ya. Regularities of variation of the heliospheric current sheet orientation during the solar activity cvcle. - Solar Phys. 1992. V. 140. P. 369 - 378.

3. Вапярха E.C., Вапярха II.Я., Гуляев Р.А. О новом подходе к анализу фотометрических свойств сочпечнои короны. - Ас;рои. журнал. 1993. Т. 70. No.6. С. 1265 - 1270.

4. Gulyacv R.A., Vanyarkha N.Ya. A new outlook on the solar corona structure following the eclipse of 11 July 1991. Mcmorias del Scgundo Congreso dc Astronomia Solar, 5 - 7 dc abril dc 1993, La Paz, Baja California Sur, Mexico. Edit. J. Farah.

5. Gulyacv R.A., Vanyarkha E.S., Vanyarkha N.Ya. Photomctrical evidences in favour of the "Hat solar corona". - IAU Colloquium 144. Solar Coronal Structures. 1993. 1. P. 111 - 113.

6. Ванярха Н.Я. Анализ изменении долготной ориентации гелиосфериого токового слоя в цикле солнечной активности по геомагнитным данным. Препринт ИЗМИРАН No.94(1041). Москва. 1993.

7. Ванярха Н.Я. Прецессия оси гелиосфериого токового слоя в цикле солнечной активности по геомагнитным данным. - Геомагн. и аэроном. 1994. Т. ¿4. No.3. С. 191 - 195.

8. Vanyarkha1 N.Ya. Restoring the heliospheric currcnt sheet configuration going back to 1926 using gcomagnctic data. - Annales Geophysicae. 1994. Supplement III. V. 12. P. 583.

9. Ванярха И.Я. Восстановление конфигурации гелиосфериого токового слоя по геомагнитным данным с 1926г. - Геомагн. и аэроном. 1995. Т. 35. No.l. С.133-138.

10. Гуляев Р.А., Ванярха Н.Я. О восстановлении конфигурации гелиосфериого токового слоя в прошлом по геомагнитным данным. -Изв. РАН. Серия физическая. 1995. Г. 59. No.9. С. 166.