Исследование комплексов активности на солнце по данным хромосферных и фотосферных наблюдений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Р Г 8 ОД

/ 3 май 1993 российская академия наук

ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 523.98, КОЛ, ЕЙ0.24

ЯЗЕВ Сергей Арктурович

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ АКТИВНОСТИ НА СОЛНЦЕ ПО ДАННЫЙ ХРОДОСФЕРШХ И ФОТОСФЕРНЫХ НАБЛВДЕНИЙ

"01.03.03 Гелиофизика и физика солнечной системы

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автореферат

Иркутск 1993

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте солнечно-земной физики Ордена Ленина Сибирского Отделения РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник

В.Г.Ванин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Н.Н.Степанян кавдидат физико-математических наук

А.А.Головко

Ведущая организация - Астрофизический институт АН Республики Казахстан

Защита состоится "_" ис£>'г*р 1993 г. в_ часов,

на заседании специализированного совета Д. 003.24.01 при Институте солнечно-вемной физики СО РАН. по адресу: Иркутск-33, ул. Лермонтова, 126.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗШ СО РАН

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук

' /7 А.И.Галкин

_ 3 -

ОБЩАЯ ХАРШЪРИСТЖА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Комплексы активности (КА) на Солнце являются важной составляющей солнечной активности. Исследования, выполненные б последние годы, показали, что в КА происходит1 подавляющее большинство мощных вспьшечных событий, в том числе и протонных. Таким образом, данные о феноменологии КА., их структуре, эволюции, статистических закономерностях пространственно-временных распределений являются актуальными с точки зрения прикладных задач прогноза геоэффвктивных событий на Солнце. Еажность этих задач увеличивается по t/.epe иасыдения земной техносферы чувствительными к космогенным воздействиям электронными системами. Ьти данные необходимы и для создания физических моделей КА.

цель работы. Данная работа посвящена изучению КА на основе хромосферных и фстосфврных наблюдений, в том числе

- изучению структурных и эволюционных характеристик КА, созданию феноменологической модели КА по хроыосферным и фотосферным данным;

- изучению особенностей пространственно-временного распределения КА на фазе спада ZI - фазе роста 22 цикла солнечной активности с использованием специально разработанных индексов и методик;

- изучению геоэффективных проявлений КА.

Научная новизна работы состоит в следующем. На большом по объему наблюдательном материале уточнена и систематизирована роль КА б общей системе активности Солнца. В отношении отдельных результатов новизна заключается в следующем:

1. Показано, что КА несут основную ответственность за наиболее мощные геоэффективные явления (солнечные протонные dcпышки).

2. Впервые применены новые индексы "площадки длитльной активности" и соответствующие методик« количественного описания ядер КА для исследования пространственно-временного распределения КА в 2.1-22 циклах. ^ • '

3. Создана феноменологическая модель КА на основе хро~ мосферных и фотогферинх данных, обсужден ряд нонкх элемен-

тов структуры KAi

4. Показано наличие квазиперисдического характера развития КА с периодом 16-22 солнечных оборота.

5. Вццелены основные эволюционные характеристики КА, показана связь КА на поздних стадиях эволюции с корональными дырами.

Практическая ценность, работы заключается б том, что созданы, обоснованы к апробированы относительно простые и надекные. методики идентификации и описания КА, в том числе и количественного, с помощью специально разработанных индексов. Методика позволяет без привлечения внеатмосферных наблюдений идентифицировать K/v и прослеживать их развитие. Выявленная связь КА с крупными протонными вспьшк&ми закладывает основы для долговременного прогноза крупных вспышек на Солнце. Созданный каталог ядер КА может использоваться как справочное пособие при сопоставлении с другими проявлениями солнечной активности. Результаты исследования павильонного эффекта типового павильона Байкальской астрофизической обсерватории и способа его уменьшения могут быть применена для аналогичных конструкций, используемых в солнечной астрофизике.

Научное значение работы заключается в следующем. На основании анализа нового обширного материала наблюдений получены данные о структурно-эволюционных характеристиках КА, их пространственно-временном распределении на солнечной поверхности, связи со вспьшечной активностью, коронэльньми дырами, которые существенно дополняют и развивают имеющиеся в литературе данные. Создание феноменологической модели КА, являющейся обобщением результатов исследований тонкой структуры КА, мокет служить основой для разработки соответствующих физических моделей.

Апробация работы. Результаты работы представлялись на Консультативных совещаниях НАПГ по физике Солнца (Смо-лянице, 1986, Одесса, 19Ь8), Пленумах КАИР по солнечно-земной физике (Киев, 1984, Самарканд,I98S), Всесоюзных конференциях по физике Солнца (Алма-ата, 1987, Ашхабад, 1990,), I Советско-китайском семинаре по физике Солнца (Иркутск, ISSI),совещаниях рабочей группы "Активное Солн-

це" (Москва, 1982, Звенигород, 19БЗ, Пулково, 1986,1990, Киев, 1990), конференциях молодых ученых СибИЗМИР (19Ъ5,1987), обсуждались на семинарах отдела физики Солнца СибИЗМИР (с 1992 г. - S4Cc$).

Автор выносит на защиту:

1. Феноменологическую модель КА, построенную на основе хро-мосферных и фотосферных наблюдений;

2. Результаты исследования связи КА с ¡крупными вспышками на Солнце;

3. Результаты анализа пространственно-временных распределений ядер КА з течение сазы спада 21 - фазы роста 22 цикла солнечной активности с применением методики плодадок длительней активности. •

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Полный объем - 180 страниц, в том числе ЗБ рисунков, 8 таблиц и список литературы из 1?0 наименований.

СОдЕРжАНИЕ РАБОТЫ

_ь^де!]_ии обосновывается актуальность теш, формулируется цель исследования, излагаются положения, выносимые на защиту, отмечается то новое, что внесено автором, в решение проблемы.

В первой главе дается обзор современного состояния проблемы. Систематизированы тлеющиеся данные о феноменологии, эволюционных характеристиках и геоэффзктивных проявлениях КА, сформулированы и обоснованы задачи, решавшиеся в ходе выполнения работы.

Вторая глава'пгсвящена вопросам исследования возможностей хромосферного телескопа полного диска СибИЗМИР в . реальных условиях эксплуатации. Выполнен анализ качества полученных в 1980-1931 и частично в 1982 гг изображений хромосферы, всего около 13ООО фильтрограмм. Показано, что при сведении к минимуму павильонных эффектов до 45 % снимков оказывается хорошего к отличного качества; на телескопе достигается близкое к расчетному пространственное разрешение около I угловой секунды по всему диску Солнца.

Приводкгся результаты изучения влияния павильонного оффекте на качество получаемых изображений. Получена эмпирическая зависимость качества изображения от разности температур возле телескопа к за пределами павильона вида

5 =-О.Н-ЗГ+Ш

' где & - средний балл качества изображения, лТ - средняя разность температур подкуиольного пространства и наружного "воздуха. Показано, что наилучшее качество изображения для летнего сезона достигается з 15-16 часов местного времени. Приведены результаты изучения характеристик ряда теплоотракающих покрытий, отбиравшихся для уменьшения павильонного эффекта, даны соответствующие рекомендации.

Третья, глава посвящена изучению структуры КА. Изложена разработанная методика идентификации КА по фотссфер-ныь; и хромосферным данным. На примере вспышечноактивного КА в мае 19в1 г. детально рассмотрена структура КА на основе анализа Л^-фкльтрограмм и видеомагнитограмм. Б качестве основных структурных элементов рассматриваются так называемые магнитные ячейки, охватывающие 4-8 супергранул. Выделяются зоны ядра, "тени", "полутени" КА, рассмотрены специфические детали тонкой структуры хромосферы, характерные для КА - волокна-стримеры, неявные центры активности, межобластные вспышечные петли [1а]. Структура КА, изученная на примере КА в мае 1961 г. сопоставлена с примерами еще шести КА, наблюдавшихся в 1961 и 19Ь9 гг. Показано, что для грех КА б 1989 г. зона центральной темной площадки - "тени" КА - примерно соответствует зоне пятно-образования внутри КА. Рассмотрены характеристики вращения компонентов КА, показана малая подверженность магнитных* яч еек, составляющих КА, эффектам дифференциального вращо ник. Сформулированы основные положения феноменологической модели КА по данным фотосферкых и хромосферных наблюдений, обсуждается ее презентативность.

Четвертая глава, содержит результаты исследования КА с помощью методики .так называемых плодадок длительной активности (ВДА). Изложена система индексов, разработанная для количественного описания вдер КА. В качестве базового

г»*

индекса вводится параметр "иоцкость" ЦДЛ у > , описывающий степень залятнеиности ЦДА на обороте ¿ в интервале долгот $ в полушарии К (северном или южном). На основе этого индекса конструируются другие, суу-марние индексы. Приводятся результаты использования этой методики для изучения пространственно-временных распределений ядер КА на (¡еле спада 21 - фазе роста 22 цикла активности. Приводится каталог ядер КА (ЦДЛ) за указанный период (19Ь0 - 1990 гг), охватывающий один цикл солнечной активности от максимума 21 цикла до максима 22-го. В числе реэультатов-обнарувенкая квазипериодичность временного хода индекса мощности ЭДА (суммарного для каздого солнечного оборота) с "периодом 16-22 оборота. Этот эффект связывается автором с глобальными перестройками системы магнитных полей на Солнце. Обсуждается выявленное свойство ЦДА объединяться а крупномасштабные, концентрации на диаграмме долгота-.оремя. На материалах наблюдений, относящихся н 21 циклу активности показана асинхронность развития ПДА в южном и северном полушариях.Широтное распределение ПДА подчиняется закону Шпарера.

Пятая глава посвящена вопросам эволюции КА.Эволюция прослежена на примере КА в 1931 и 1988 гг. Наделяется так называемый актизный период развития КА, в течение которого интенсивно развиваются пятна. Во время активного периода на примерах семи КА в 1981 и 1969 гг выделен вспышечано-активнкй этап продолжительностью около одного солнечного оборота, в течение которого продуктивность ыоцных вспышек в КА увеличивается в 3 - 8 раз. Рассмотрен беспятенный период развития КА, приведены аргументы в пользу того, что корональные дыры могут рассматриваться в качестве структуры, генетически связанной с КА. Показана связь пространственных расположений ДДА и выступов полярных корональных дыр, неизменно протягивающихся к ОДА. Рассмотрена качественная схеыа, в соответствии с которс.; эволюционирующие магнитные поля ¡(А постепенно образуют крупномасштабную магнитную яизйку одного знака, на базе_ которой впоследствии образуется корональная дыра. Обосновывается точка зрения, в соответствии с которой гео-

аффективное воздействие высокоскоростных потоков солнечного ветра рассматривается как проявление КА на поздних стадиях эволюции в форме корок?льных дыр.

£ шестой главе рассмотрены геоэффективные проявлен ния, КА. Показана связь КА с наиболее мощными протонными вспашками (91 % таких события на стадии спада 21 цикла происходили в ядрах КА). Приводится аргументация в пользу гипотезы, связывающей класс так называемых ¿Э£ -вспышек с особенностями магнитной структуры КА. В соотэ&тст-вии с этой гипотезой в ядрах КА. постоянно всплывают новые магнитные потоки; взаимодействие новых V. старых магнитных полей приводит к возмущениям в сложных системах коро-нальных петель, соединяющих элементы КА, в результате могут возникать возможности для длительного свечения мягкого рентгеновского излучения, характерного для 1ЪЬ -вспышек. Временные ряды числа таких вспышек и индекса мощности ПДА (ядер КА) обнарукжзаит положительную кор-релированность, коэффициенты корреляции составляют 0.6? и 0.50 для северного и южного полушарий соответственно. Вариации рассматриваемых величин носят квазипериодический характер; вычисленные с применением статистических методов "периоды" составляют для ПДА 21.3 к 17.1, для

¿2>£ - вспышек - 19.7 и 18.3 солнечных оборота соответственно в северном и южном полушариях, т.е. яелябтся достаточно близкими. Все эти данные позволяют рассматривать КА как основные объекты, продуцирующие геоэффек-тивкые события на Солнце.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной, работы. Ъ краткой форме они сводятся к следующему.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

I. По результатам исследования нескольких КА в 1961, 1988. и 1989 гг построена феноменологическая модель КА на основе хромосферных и фотосферных наблюдений. Для идентификации КА применена разработанная совместно с В.Г.Баьшныы методика отождествления этих объектов. В качестве основного структурного элемента рассматриваются

магнитике ячейки, выделяемые по кагнитогсажам л проявляющиеся в тонкой структуре хромосферы. Структура КА интер>-прзтируется в рамках качественной схемы "магнитного дерева" Пиддингтона [ 2 а] , при о тс:.; ядро КА рассматривается как срез "ствола'' этого дерева, а периферийные ячейки -как срезы "ветвей".

2. По результатам изучения эволюционных характеристик КА веделен так называемый активный период - фаза бурного пятнообразойания в границах центральной части КА. У всех изученных КА откечен вепыЕечноактивкь'й период, .ютда на протяжении 1-2 оборотов одна из активных областей, входящих в состав КА, интенсивно генерировала эспыгки высоких оптических и рентгеновских классов, при этом продуктивность генерации вспылек в 3 - 8 раз превышала среднюю величину для данного КА. Ьремк наступления такого периода

не менее 1.7 солнечного оборота от начала развития НА.

3. Показано, что большинство модных всптек и практически все протонные вспышки располагались в зоне ядер КА. Связь с последними обнаружена « для более широкого класса событий - ¿3)£ -вспгепех. Высокая гсгс-печная продуктивность К'1, по-видикому, обусловлена сложностью магнитной ситуации а КА, которая создается в результате взаимодействия старых я новых магнитных полей.

4. На основе анализа пространственно-временных распределений ядер КА и корональных дыр обоснована гипотеза о генетической связи этих структур. В таком случае КА выступают в роли структур, несущих основную ответственность за такие швдгае неоэффективные события, как протонные вспышки и высокоскоростные потоки солнечного ветра. С учетом отих обстоятельств целесообразна разработка подхода, при котярераосматриваются как основной геоэффек-тивкый элемент солнечной активности.

5. Выполнено описание пространственно-временного распределения КА в течение ветЕи спада £1 - ветви роста 22 цикла солнечной активности. При этом применена разработанная совместно с В.Г.Баниным [ За] методика площадок длительной активности (ПДА). Выявлены существенные неоднородности распределения ядер КА во времени и пространстве.

- 10 -

Преимущественные долготы образования их сохраняются от 21 к 22 циклу. Сужаркак мощность ЦцА, выраженная с по-моцыо специального индекса, от оборота к обороту претерпевала значительные кзазипериодиче-ские изменения, падая почти до куля спустя каядые 16- 22 оборота. Этот факт интерпретируется как данные г пользу существования глобальных перестроек магнитных полей на Солнце с указанной периодичностью, методика ЦцА рассматривается как инструмент для их исследования.

■ G. Еа практике продемонстрированы реальные возможности хромосферного телескопа полного диска СибИЗЖР по итогам его 10-летней эксплуатации при активном участии автора. Приведены результаты работ по улучшению качества получаемых изображений. Сделан вывод о высокой еффек-тивности телескопа для целей изучения КА.

Содержание диссертационной работы опубликовано в 23 научных статьях. Основные результаты приведены в следующих работах:

1. Язев С.А. О структуре и эволюции-комплекса -активности на Солнце.- Кинематика и физика небесных тел, 1990,

т.6, № 5, с. 58-66.

2. ЙзевС.А. О некоторых особенностях вспышки 23 августа 1988 года.- Солнечные данные, 1990, fr 7, с. 77-ÖI.

3. Язев С.А. Петельные структуры, связаьные со вспышками 13 и Iô мак 1981 года.- йсслед. по ^еомагн., аэрономии к физике Солнца,1983, вып. 65,' с.165-171.

4. ЯзеЕ С.А. О хромосферных структурах,регулярной формы.- Там жз, 1965, вып. 72, с. I64-I7I.

5. йгев С.А. О развитии трех комплексов активности на Солнце в I9S9 году.- Там же, 1991, вып.95, с. 152-165.

6. hses С.А. К вопросу об уменьшении павильонного эффекта башни хромосферного телескопа Байкальской астрофизической обсерватории.- Тем se, 1991, вып.95, с. 32-34.

7. Язев С.Д., Ковадло П.Г. 0 температурном режиме башни хромосферного телескопа Байкальской астрофизической обсерватории.- Там же, 1985, вып. 73, с. 18-22.

8. йгыров Г.11,, Язев С.А. 0 некоторых характеристиках хромссферных структур на линии раздела полярностей.-Там se, 1990, вып. 91, с. 55.62.

9. Язев C.A..Зубксва Г.Н., Дубышев Б.К., Нефедьев В.П. О "неожиданной" вспышке 23 августа 1968 года.- Солнечные данные, 1990, U 6, с. 76-в!.

10. Ковадло П.Г., аз ев С.А. О выборе теплоотражающих покрытий для павильонов Байкальской астрофизической обсерватории.-Исследования по геомагн., аорономии и физике Солнца, 1988, вып. 83, с. 187-192.

11. Банин В.Г., Язев С.А. Каталог плоцадок длительной активности в i960 - 1969 годах.- Там же, .1991, вып.95, с. 141- 148.

12. Банин В.Г., Берояик A.B..Трифонов В.Д., Язев O.A.

Об астроклимате Байкальской астрофизической обсерватории.-Там же, 1932, вып. 60, с. 26-54.

13. Банин В.Г., Боровик A.B., Язев С.А, Большие солнечные вспышки 13 и 16 мая 1981 г.- Там же, 1983, вып.65, с. 151-164.

14. Банин Б.Г., Боровик A.B., Язев С.А, Комплексы активности на I705-I70S оборотах,- Солнечные данные, 1988, № 5, с. 82-66.

15. Банин В,Г., Язев С.А. Комплексы активности и корональ-ные дыры.- Там же, 1991, № I, с.76-83.

16. Банин В.Г., Язев С.А.,Хкыров F.M. Комплексы активности и вспашки.- Там же, 1991, & 3, с. II6-II9.

17. Банин В.Г., Язев С.А. Площадки длительной активности на нисходящей ветви солнечного цикла № 21.- Кинематика и физике небесных тел, 1989, т. 5, № 4, с. (2-68.

18. Банин В.Г., Язев С.А. Некоторые характеристики пространственно-временного распределения площадок долгсясивущей активности на ветви спада 21 цикла.- Исслед. по геомагн., аэрономии и физике Солнца, 1989, вып. 87, с. 100-IIS.

19. Банин В.Г., Язев С.А. Площадки длительной активности на ветви роста цикла № 22.- Там же, 1990, вып. 91, с.19-27.

у!з 19 указанных работ в соавторстве выполнены 13. В работах[7-1о]автором поставлена задача, получен наблюдательный материал. Автор принимал участие в обработке данных и интерпретации результатов, ему принадлежит формулировка выводов и изложение текстов работ. В работе [ II] автором выполнено определение большинства параметров, занесенных в каталог площадок длительной активности, их систематиза-

ция и собственно составление каталога.

В работах [12-13] автором получена часть наблюдательных данных, он принимал участие в обработке материала! в том числе е работе [12] им выполнена математическая обработка данных.

В работах [i4-IS] автором выполнен основной объем обработки и представления экспериментальных данных, изготовление синоптических карт, определение части численных параметров, описывающих КА.

Основные изложенные в диссертации научные результаты содержатся в работах [l,2,5, 14-16,16-19J .

ЛИТЕРАТУРА

la. Еанин Б.Г. Комплекс активности и большие вспышки в мае 19Ы г.- Иселед. по геоиагн., аэрономии и физике Солнца, 1983, вып.65, с. 129-150.

2а. Pidiicgton J.H„ Solar ua^nefcic fields ana convection,-Basic meciaaiiicais of solar activity. -P roc „Snap-71 Ш,Prague, 1976, BeLOel РиЫ, Co (.Holl), p. - 198.

За. Банин В.Г., Язев С.А, Площадки длительной активности на нисходящей ветви солнечного цикла if 21.- Кинематика v. физика небесных тел, 1989, т.5, № 4, с.68-68.