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 пранах рукописи

Намярха Николай Якоилснич

УДК 523.98

11ссл едова11и к овол юц1111 гелпосферного токового слоя по наземным геомагнитным наблюдениям

Специальность 01.03.0? -1 елнофи знка и фи шка солнечной системы

Ангорефераг лнссеркипш па соискание \ чепои сгененн кайлила I а фнчнко-ма I ема 1 ических наук

Москна !1)1>6

S\:ûo îи uw!?.)..i;cii» i-. üüciihn к-ыаоы m.:¡ ¡;;¡¡n\i,:. г •¡uujvp:.! ;¡ p.i/r:>')CT¡4;iii?;¡ii;i ра.чио¿ I'UJCÜIÍLKIIÜ AI;CU:C.M:.■ <:.Í\Ü

H:.v'.::u:i pvi.:o;v;:,ii ель: kj.íi.u:„¿í -, i'.:r.¡;

Í'.A. 14.".,:. u

• i 30

.........„•.^MMOI'^'/Wp^i, ., i7/-

lii.

и к: г 'M' ; ..•'o^iiüIií; ,'l,i;cL'cpn i tí ¡ \ i с »e\mui u м;;i i !o;(!>'iii l'A: !

¡4 20У2, !. i -1, ■, i 11 ¡ -. . i. г:.,

Upoei.l. stL-ipo с ' . лкп . •;>!! . . :

oouhio!'k;i "IHN;. i:". ..t

í ';uiv.'jpuuiii... \.i.;¡:ír> u-iiíai.o:/!¡¡ •• .! i >

i¡;.i¡i cv: p.'i.'pi.,ч j:¡..4>!ijí</

соlij ¡ ;; i i i. 1 ; v\ ¡ ! ;!..;, ; ; 1 '."u • ¡ i .:.: ' ■ i ,,"¡Í \ ir

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Цель раГюгы. В связи с вышеизложенным была поставлена задача: нанти способ восстановления конфигурации неифадыюи липни ГГС в прошлом дли периода, охватывающего несколько циклов солнечной активное иг, исследован» изменение ориентации и конфигурации ГГС в рассмотренных циклах активности; выявить наиболее общие закономерное! и эволюции ГГС в цикле солнечной активности.

Ношппа района заключается в следующем:

1. Автор показал иошожносп. использовании данных о вариациях выеокошпрошого геомагнитного поля ;ия восстановления конфигурации пеГпралыюи линии ГГС на поверхности источника. Авюром пре,хюжеиа методика восстановления конфигурации нейтральной линии ГГС по данным о знаке ММП в окрестности Земли, получаемым из наблюдении высокоширотного геомагнитного поля.

2. Восстановлена конфигурация ГГС начиная с 1926г., исключая 2-х летние интервалы времени, приходящиеся па максимумы П-лстппх циклов солнечной активности. Представлены синоптические карты конфигурации основания ГГС для 11-летних циклов Ло/Уе 16-20 (19281968гг.).

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

4. Выявлены некоторые общие закономерности в изменении ориентации П'С, повторяющиеся в разных циклах активности.

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

6. Исследовано поведение квадрупольнон составляющей ММГ1 в цикле солнечной активности.

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

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

Автор выносит на защиту:

1. Методику восстановления конфигурации нейтральной линии П'С по геомагнитным данным.

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

3. Рсзуль' аты исследования изменения пространственной ориентации ГТС 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 -//5* страниц, включая 29 рисунков и приложение на 23-х страницах. В приложении приведены синоптические карты конфигурации нейтральной линии П'С 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 нейтральной линии ГГС на поверхности источника по намерениям фотосферного магнитного поля и по орбитальным наблюдениям внешней короны. 'Здесь же приводится обзор известных результатов исследований -жолкщии ГГС и цикле солнечно!! активности.

Секторная структура межпланетного магнитного поля была открыта Иессом и Вилкоксом. 'Это мнилось результатом анализа экспериментальных данных, полученных с помощью стишков п космических аппаратов Mariner 2, Mariner 4, IMP 1, IMP 2, IMP 3 за период 1962-1966гг. Наблюдаемая карпша смены секторои есть результат пересечения 'Землей iicii jрильin>ii поверхности MMII.

Существует несколько способом получения информации о структуре MMII на различных расстояниях от Солнца: от солнечной поверхности до 20 а.е. Прежде «сего, но наблюдения фогосфсрных магп1гпп.!х полей, которые обнаруживают гораздо более сложную структуру, чем межпланетное поле. Другими нндпкатрамп структуры ММП могут служить комепл, кчнорые показывают разрывы и изменения напранления магнитного ноля, и межпланетные мерцания в радподнаназопе, позволяющие исследовать с i рук гуру скорое reii солнечного негра, связанною с межплапешым маыпппым полем.

Приводи i ел обзор работ, и коюрыч исследуется эволюция ГГС в цикле солнечно!! акшппосш. Такими исследованиями был охвачен период времени начиная с 1972г. Для периода до 1972г. такие данные отсуичиовалп. В настоящей paöoie исследование эволюции ГГС продолжено до 1926г. Таким образом, подобными исследованиями удалось очиаппь период времени, равный по продолжиuviuiociи почт семи 11-лем!нм циклам солнечной акшппосш.

Во Biopiiii главе исследуется связь магшпного жватора Солнца со средней плоскостью ГГС. Внешне средняя плоскоеп. ГГС выглядит как жваюр дипольной coci авляющей общего магнишого поля Солнца. Детальное согюставление ориешаипи гсомс!рическон средней плоскости ГГС с орпетапней жватора Mai ннтпого диполя показало, что средняя плоскоеи. ГГС? пракшчеекп точно совпадает с экватором диполя. Иными словами, средняя плоскость ГГС адекватно отражает дииодьиио cocum.THkHnuo межнлаиепкио магнишою поля. Отсюда следуем, чю общая ориеншнш ГГС » .'-.мерном пространстве, характершуемаи положением средней плоское! и, полностью определяем! дипольной составляющей магнитного поля. Соавиляющие более высокого порядка (кнлдрунольная, октуполышя и !.д.) определяв Ii конфш \ рацию, но не ориентацию ГГС.

Приводя кя данные об щмененни параметров >;/ п Ал, харак1ери(\ю1нпч положение средней пл1нл;осп! в пространстве 'за период 1У72-1У95п . Огашлось. чю muciuMi:': nanauemt)-; •'.■* и ?

течение 11-летиего никл:! в общих чертах повторилось в двух циклах солнечной активное i n Это обстоятельство явилось основанием для постановки задачи решенной в предлагаемой работ е.

Третья глава посвящена описанию методики восстановления конфигурации ГГС по геомагнитным данным. Систематические данные о конфигурации ITC вблизи Солнца существовали с 1972г., т.е. за период, соотетствующин двум 11-летним пли одному 22-летпему циклу солнечной активности. В настоящей работе такие данные восстановлены ;шя периода с 1926г. С этой целью разработан способ, позволяющий восстановить конфигурацию ГГС в прошлом на основании информации о полярности МММ вблизи Земли. Такая информация полу чается из наблюдений за вариациями геомагнитною ноля в высоких широтах. Основу методики составляет Фурье-анализ знакопеременного ряда ежедневных значении полярности ММП вблизи Земли. На основе этого ряда задается сигнум-функция (функция знака) s<;n ф(Х). В Фурье-разложспии функции s<;ii <р(^.) оставляем для дальнейшего анализа только первую и вторую гармоники, обозначив их соответственно <pi(X) и <рг(?..). Тогда имеем

<Pi(Ä.) + = hi *ct>s X + h\ »sin Л + т »cos 2k + hi *j>|n 2X.

В силу того, что ряд Фурье в нашем случае аппроксимирует сигнум-функцию, численные значения гармоник ф|(Х) и yi(k) выражаются в от постельных единицах.

Чтобы привести эти значения к абсолютным, введем параметр 1', на который следует умножить ф)(Х) и ф:(Х). Вудем считать в первом приближении, что множитель Р изменяйся по линейному закону между значениями 90° в максимуме 11-летнего цикла и 0 в минимуме. Такое поведение параметра Р отражает известный факт: наклон экватора магнитного диполя Солнца изменяется в ццкле солнечной активности от пуля в минимуме до 90° в максимуму. Параметр Р определяется выражением Р = 90*|Ф|, где Ф - фаза цикла, определяемая соотношением Ф = (Т - Tmm)/(TUu\ -Tmm) (обозначения общепринятые). Конфигурация нейтральной линии па поверхности источника определяется как зависимость ф(Х)~ по формуле ф(Х) =

[Ф,а)+Ф2ш]*р.

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

изменения угла наклона оси магнитного диполя к оСн вращения Солнца (изменение параметра у) и наличие собственного вращения ГТС в кэррннггопопекой системе координат (изменение параметра X«). При этом дзя каждою оборота параметр Л0 соответствует кэррниггоиовскон долготе точки минимума синусоиды с периодом 360° - первой гармоники <р,(Х) и находится из условия 11(р|(Х)/(1Х=0. Значение у находится по формуле V = \|/,„,р.*Р, где =<р|(л«), а Р -введенный выпи;' парачеф ;ия перевода относительных величии п абсолютные. Выяснило,сь, что колебательный характер изменения параметра у повторился в каждом 11-легнем цикле на протяжении семи циклов солнечной активности' Замедленное по сравнению с кэрриштоновскнм вращение уагнитного поля Солнца, соответствующее уменьшению параметра Хо, также повторялось на протяжении семи 11-летних циклов, рдиако пцтервал времени между максимумом активности н началом замедленного вращения магнитною поли отличался ;(ля четных И нечетных циклов активности. В этом проявился 22-леп1и1| период солнечной цикличности.

Здесь же представлены результаты сравнения ориентации магнитного экватора Солнца и конфигурации нейтральной липни ГГС, полученных по геомагнитным дапнцм, с расположением больших шлемовндных лучен во время полных солнечных затмении. Приведены результаты исследования поведения квадрупольнон составляющей ММП в цикле солнечной активности. Изменение квадрупольнон составляющей ММП описывается ' изменением амплитуд!»! в юрой гармоники <р:(Х) с учетам введенного выше параметра Р. 0каз;!.'щсь, что изменение квадрупольнон составляющей ММП также носит колебательный характер, рдпако это изменение происходит в протипофазе с изменением параметра у. Другими словами, увеличение угла наклона экватора магнитного диполя Солнца сопровождается малым отклонением нейтрально!! линии от плоскости магнитного экватора.

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

В приложении представлены синоптические карты конфигурации ГГС для 11-летинх циклов ЛУ\а 16 - 20 (1928 - Ц>68гг.), полученные по геомагнитным данным.

Основные результаты диссертации:

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

s

2. Предложена методика носсганоиления конфигурации ГТС по reo магп итн ы м да i п i ы м.

3. Поестаповлена конфигурация ГГС начиная с 1926г. Представлены синоптические карпа конфигурации основания ГГС для П-летних циклов \o.V16-20 (1926-1968гг.).

4. Поканшо, что изменение пространственной ориентации ГТС в общих чертах повторялось на протяжении семи 11-летиих циклов активности.

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

6. Представлен временной ход амплитуды квадрупольпой-компоненты MMI1, которая находится в обрапюй зависимости с изменением угла наклона Mai inrrnoi о дниоля Солнца.

' 7. Показана возможное п. использования выявленных закономерностей эволюции ГГС для прогнозирования состояния MM1I и формы солнечной короны.

Основные результаты днссеркншн опубликованы в работах [1-10) il докладывались па научных семинарах Лаборатории солнечной активности ПЗМПРДН, на семннарач по физике Солнца Отделения солнечно-земной физики 1ПМПРАН, на совешаипн Секции "Солнечный ветер п межплаиешое мапиппое иоле" Национал!.пого геофизическою комитета Российской Академии Паук (Пушпио, 1993г., Москва, 1994г.). на семинаре Горной аароиомичсской станции ГАО РАН (Кисловодск. 1995г. 1, а также были прелечавлеиы в виде стендовых докладов па международных конференциях:

XVII Генеральная ассамблея Европейскою 1еофизическото общества, ЭдннСл рг, Великобритания, 6-10 апреля 1992г.;

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

Коллоквиум No.144 Международного асфоиомнческого союза, Татрапска Ломпица, Словакия, 20-24 сентября 1993i.

ЛИТЕРАТУРА

КВанярха Н.Я. О cootucictbhh 1соме1рической средней плоскости гелиосферного токового слоя дпполыюй составляющей ММП. - Соли, данные. 1991. Ко.12. С. 92 - 95.

2. Gulyacv R.A., Vanyarkha N.Ya. Regularities of variation of the heliospheric currcnt sheet orientation during the solar aeliviiv cvclc. - Solar Phys. 1992. V. 140. P. 369 - 378.

3. Вапярха E.C., Вапярха M.Я., Гуляев P.A. О ионом подходе к анализу фотометрических свойств солнечной короны. - At;pnii. 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 Congrcso dc Astronomia Sol ar, 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. Photometrical evidences in favour of the "flat solar corona". - IAU Colloquium 144. Solar Coronal Structures. 1993. 1. P. 111 - 113.

6. Ваиярха И.Я. Анализ изменений долготной ориентации гслносфсриого токового слоя в цикле солнечной активности по геомагнитным данным. Препринт ИЗМИРАН No.94(1041). Москва. 1993.

7. Ванярха Н.Я. Прецессия оси гслносфсриого токового слоя в цикле солнечной активности по геомагнитным данным. - Геомагн. и аэроном. 1994. Т. r34. No.3.C. 191 -195.

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

9. Ванярха Н.Я. Восстановление конфигурации гелиосфсрлого 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 гелиосферного токового слоя в прошлом по геомагнитным данным. -Изв. РАН. Серия физическая. 1995. Т. 59. No.9. С. 166.