Исследование квазипериодических движений пятен и особенностей горизонтального поля скорости на солнце координатными методами повышенной точности тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ АН СССР

На правах рукописи

Наговицына Елена Юрьевна

УДК 523.98

ИССЛЕДОВАНИЙ КВАЗИШРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ ПЯТВН И ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПОЛЯ СКОРОСТИ НА СОЛНЦЕ КООРДИНАТНЫМИ МЕТОДАМИ ПОШШВННОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность 0I.03.C3 - Гелиофизика и физика

Автореферат диссертации на ооискание ученой отепени кандидата физико-математических наук

Солнечной системы

Ленинград 1990

Работа выполнена в Главной аотрономичеокой обсерватории АН СССР.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Р.Н.Ихсанов.

Офици?льные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.Н.Обридко,

кандидат фиэико-математичеоких наук Ю'.И.Витинокий.

Ведущая организация: Крымская аотрофизичаокая обсерватория АН СССР.

Защита ооотоится "Ц " 1990 г.

в чао. СО мин. на заседании специализированного

совета (шифр К 002.92.01) в Главной аотрономичеокой обсерватории АН СССР (196140, г Ленинград, Пулково). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО АН ССС!?.

Автореферат разоолан " Г« калф^ " 1990 г;

Ученый оеюретарь специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Б.К.Багильдинокиа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Изучение поля скорости на Солнце, играющего ключевую роль в процеосах генерации, эволюции и разрушения солнечных магнитных полей различного масштаба, представляет ообой и традиционную, и актуальную по оей день задачу. Появившиеся в последнее время наблюдения ряда авторов крутильных колебаний в оолнечных пятнах с большой остротой поставили вопроо о периодичеоких процессах в горизонтальном поле окорости. Пространственные масштабы этих процессов яэ-ляютоя сравнительно небольшими, что делает их труднодоступными для наблюдений, а сама проблема остается малоизученной, несмотря на ее важность для понимания физичеоких процессов, сопровождающих существование .взаимодействие и нестог-ционарнооть солнечных магнитных структур различных масштабов.

Применение прецизионных методик при определении координат пятен, факелов и т.п. позволяет повысить точность измо-' рений горизонтальных полей скорости на поверхности Солнца в несколько раз и открывает возможность отрогого изучения тонких особенностей динамики указанных объектов. Это также позволяет вплотную подойти к наблюдению и исследованию горизонтальных колебаний в поле скорости. В этой работе будут пред-ставлеш данные об обнаруженных колебаниях пятен с характерными периодами порядка 70 - 1^0 минут и 3 - II суток,составляющими важную компоненту горизонтального поля скорости на малых пространственных масиггабах.

Цель работы заключалась в исследовании горизонтального поля скорости фотосфорних объектов (пятен, факелов и т.п.)

с помощью прегчзионных методов определение их абсолютных ге-лиографических координат. Для этого были решеш следующие основные задачи:

1. Разработаны и реализованы на ЭЗМ методики "Геликор" и "Геликор-М" для разных типов наблодений фотосферы.

2. Проведеш наблюдения на фотогелиографа ГАС ГАО АН СССР и телескопе "АЗР-2" ГАО АН СССР.

3. Произведена обработка материалов (в частности, обработано около 70 крупных пятен).

Исследованы особенности динамики пятен и обнаружены новые моды горизонтальных колебаний наряду с известной крутильной модой.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Разработаны новые прецизионные методы определения абсолютных гелиографических координат объектов на Солнце, обеопе-^иваощие точность не хуже 0.05 гелиографического градуоа в зоне пятнообразования, наивысшую к настоящему аремени.

- Проведены исследования поля скорости абсолютными координатными методами на временах порядка сотен минут.

- Предложен подход к изучению горизонтальных колебательных процессов в солнечных пятнах, основанный на рассмотрении простых групп пятен - "симплекоов".

- Обнаружены и исследованы абсолютные горизонтальные колебания пятен, имеэпие две степени свободы, с характерными периодами порядка 7 суток и ПО минут.

- Обнаружена связь параметров абсолютных горизонтальных колебаний пятен с глобальным (осесимметричным) и крупномасштабным (неосесимметричным) магнитным полем Солнца.

- Исследованы относительные горизонтальные колебания в

пятнах и наряду о крутильной обнаружена радиальная иода. Найдено, что относительные горизонгальные колебания солнечных пятен имеот одну степень свободы.

- Рассмотрен ряд особенностей крупномасштабного горизонтального поля окорости в высоких и средних широтах и в атмосфере Солнца.

Научная и практическая значимость дисоертации оостоит в той, что полученные в ней результаты важны для дальнейшего прогресоа в вопроое определения абсолютных голтогра{>ичвских координат, для лучшего понимания динамики солнечных магнитных структур и особенно для осознания значения и широкой распространенности различных колебательных процессов в поле скорооти.

1. Разработанные методики существенно повышает точность абсолотшх'координатах измерений за счет алгоритмического проведения разнообразшх коррекций и могут применяться для обработки наблодений на фотогелиографах со сравнительно окромныии оптическими характеристиками.

2. Высокая точность определения координат позволяет обнаруживать и исследовать те особенности динамики объектов, которые неуловимы другими катодами, например: движения на временах порядка сотен минут, абсолютные горизонтальные колебания пятен и т.п.

3. Обнаруженные горизонтальные колебания пятен, закономерности их организации и некоторые другие особенности динамики позволяют существенно расширить современше представления

о горизонтальном пеле скорости оолнечных магнитных структур.

Автор выносит на заедту:

I. Математические, исследовательские и впробационные раз-

работки при ооздании методик "Геликор" и "Геликор-М".

2. Данные о координатах, скоростях, параметрах колебаний и других характеристиках, полученные на основе наблюдений на фотогелиографе ГАС ГАО АН СССР и телескопе "АВР-2" ГАО АН СССР и рассчитанные о применением прецизионных методик.

3. Результат о существовании абсолютных горизонтальных колебаний пятен о характерными периодами порядка 7 суток и 110 минут.

Результат о супвствовакии двух степеней свободы абсолютных горизонтальных колебаний пятен и данные по глобальной (ооесимметричной) и крупномасштабной (неооесиммвтричной) закономерностям пространственной организации параметров этих колебаний.

5. Результат о существовании относительных горизонтальных колебаний пятен с периодами порядка 70 - 1^0 минут, имеющих одну степень свободы, и о возможности оинхронизации этих колебаний в близко расположенных пятнах.

Апробация работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной рабо.те, докладывалиоь на Пленуме секции "Солнце" (Киев, 198'+), совещаниях рабочих групп "Колебания и волны на Солнце" (Рига, 1986), "Активное Солнце" (Симферополь, 1986), конференции памяти проф. Г.М.Никольского (Кисловодск, 1986), ХШ консультативном совещании КАПГ (Ленинград, 1987), Всесоюзной конференции "Физика Солнца" (Алма-Ата, 1987).

Кроме того, делались доклады на семинарах Горной станции ГАО АН СССР и Главной астрономической обсерватории АН СССР.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, заключения и списка литературы. Ее объем соотамяет 178 страниц, включая <й риоунка на 33 страницах, 13 таблиц на 13 страницах и 133 наименования библиографических иоточников на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во Введении обоснов1вается актуальность проблемы исследования динамики пятен на малых пространственных масштабах, с формулированы основные решаемые в связи о этим задачи и методические приемы, характеризующие новизну работм. Перечисляются результаты, выносимые на защиту. Кратко описиваегоя структура и содержание диссертации.

В первой главе на основе обзора результатов разных авторов проводитоя анализ структуры горизонтального поля скорости оолнечных пятен и приводятся аргументы в пользу существования в нем особой компоненты - квазиколебатэльной, которая характерна для движений на малых пространственных маоотабах.

Определяется место и обооновываетоя необходимость применения новых прецизионных методов определения абсолютных гелио-графических координат в ряду других - традиционных - методов.

Во второй главе рассматриваатся различные искажавшие факторы атмосферного и инструментального происхождения, снижающие точность получения абсолютных гелиографических координат солнечных деталей: сезонные и суточные вариации угла между иотинной небесной параллелью и ее инструментальным репером; дистороия объектива телеокопа; искажение диска Солнца в земной атмосфере дифференциальной рефракцией; неточность опреде-

ления центра и радиуса изображения диока из-за его "дрожания" в земной атмосфере, случайных ошибок при наведонии на край, эффектов иррадиации, неперпендикулярнооти касоетной плоскоо-ти главной оптической оои телескопа и т.п.; кривизна небесной параллели; вариации рефракции; масштаб кассеты. Предлагается методы их выявления, оценки и коррекции, положенные в основу разработанных методик "Гэликор" и "Геликор-М".

Приведены блок-схемы алгоритмов указанных методик, реализованных в виде программ на ЭВМ, которые применялись для обработки наблюдений на фотогелиографе ГАС ГАО АН СССР и телескопе "АВР-2" ГАО АН СССР. Приведен пример обработанной фо-тогелиограммы. Оценена точность методик "Геликор" и 'Теликор-М" - не хуже 0.05 гелиографического градуса в зоне пятнообра-зования,- что является наивысшей точностью определения абсолютных гелиограЪичоских координат пятен к настоящему времени.

В третьей гларо на основе рассмотрения ЗЬ пятен показано, что в традиционно исследуемых собственных движениях пятен в системе абсолютных кэррингтоновских координат о оуточным временным разрешением содержатся квазипериодические составляющие, имевшие амплитуду порядка 0.2 - 0.3 гелиографического градуса. Найдено, что в 78 '% случаев абсолютные горизонтальные колебания пятен имеют периоды Т, большие 2 и меньшие 12 суток, о максимальной встречаемостью вблизи 7 суток ("долго-периодические" колебания). Обнаружено, что долгопериодическио абсолютные горизонтальные колебания пятен имеют две степени свободы, а соотношение периодов двух независимых - меридиональной и долготной - мод колебаний пятна определяется.его гелио-граЬической широтой.

Рассмотрены примеры других типов горизонтальных колебаний -оси биполярной группы с Тч»13 суток и модуля полной горизонтальной скорости пятен с Т » 3 суток.

Исследуются относительные горизонтальные движения ряда пятен в локальных полярных системах координат с началом координат в центрах пятен. Подтверждены данные о существовании крутильных колебаний пятен с периодами порядка нескольких суток. В рассмотренных в работе случаях крутильные колебания происходили в прстиво-фаэе в головном и хвостовом пятнах биполярных групп. Рассмотрена пространственная структура относительных движений в пятне и обнаружено, что движение в пятнах происходит пдоль вихреобпаз-ных линий, имеет противоположное направление в тени, полутени и окрестности пятна, а также - в головном и хвостовом пятнах биполярной группы. Предлагается возможная схема движений для интерпретации наблюденных особенностей относительных горизонтальных колебаний пятен.

В четвертой главе на основе рассмотрения 34. пятен исследуется динамика на реализациях длиной 3-5 часов с времзнным разрешением порядка Из минут. Получено, что у всех рассмотренных пятен имелась квазилэриодическая компонента движения с характерной амплитудой J.02-J.03 гелиографического градуса, в 71$ случаев локальные оценки периодов главных гармоник лежат в интервале 70-140 минут с максимальной встречаемостью вблизи Т=П0 минут ("корсткопернодичэские" колебания).

Найдено,что абсолютные горизонтальные короткогюриодические колебания пятен, как и долголериодические,имеют дсо степени сео-

боды и соотношение периодов независимых: мод связана с гелиогра-фической широтой пятна.Обнаружено,кроме того, что величина максимальной горизонтальной скорости пятен связана с долготой пятна в активной области (АО).Иртюдятся дшншс,у называющие па повышенный уровень синхронизации абсолютных короткопериодических горизонтальных колебаний ачтен внутрн Аи и на возможную связь этого явления с солнечными вспышками. Рассмотрены короткопериоди-ческие относительные горизонтальные колебания пятен. Кроме уже известной исследователям крутильной 0 -моды обнаружена радиальная -мода квазипериодических колебаний с характерными периодами основной гармоники 70-140 минут.Показано,что эти мода являются зависимыми,так что в пятне имеется одна степень свободы горизонтальных движений, обусловленная,очевидно, вихреобразной структурой магнитного поля пятна. Обнаружена синхронизация относительных горизонтальных колебаний пятен внутри вспышечно-активкой АО. Предполагается,что обнаруженные свойства горизонтальных короткопериодических колебаний пятен обусловлены хромосферным расположением источника возмущений магнитного поля (вероятно,это -"быстрые процессы" в хромосфере типа вспышек),а перенос возмущений к пятнам осуществляется вдоль надфотосферных частей магнитной силовой трубки альвеновскими волнами. Надежность результатов как для короткопериодических,так и для долгопериодических горизонтальных колебаний пятен обеспечена новыми прецизионными методиками обработки данных,а также специальными экспериментальными приемами выяснения солнечного происхождения наблюдаемых динамических процессов в каждом отдельном случае.

В пятой главе рассматриваются некоторые результаты исследования 'особенностей крупномасштабных горизонтальных гюлей скорое-

ти,полученные с использованием "нетрадиционных" трассеров (в хромосфере - флоккулов и волокон,в фотосфере - полярных факелов)" на основе прецизионной и "комбинированной" методик. Рассмотрена трехмерная структура горизонтального поля скорости избранной АО в атмосфере Солнца, Обнаружено,что на фотосферных и хромое 3«рных высотах АО наблюдаются вариации горизонтального вращения оси биполярной группы,причем амплитуда этих вариаций меняется с высс-той.что должно сопровождаться периодическими усилениями магнитного шира ^следовательно, вспьшечной активности. Рассмотрены глобальная и крупномасштабная компоненты горизонтального поля скорости полярных факелов отдельно для долготной и меридиональной составляющих скоростей движения. Впервые оценена величина ксви-риации этих составляющих в высоких и средних широтах Сол::ца и обнаружено,что она достаточна для поддержания поверхностного дифференциального вращения крупномасштабными вихревыми движениями. Согласно рассмотренным в работе данным крупномасштабные структуры в поле скорости полярных факелов представляли собой аопальные эксцессы над дифференциальным вращением с амплитудами порядка 70 м/с и пространственными' размерами по широте около 15 градусов.

В Заключении перечисляются основные результаты,полученные в диссертации:

1. Разработаны прецизионные методики "Геликор" и "Геликор-М" определения абсолютных гелиографических координат объектов на Солнце,позволяющие достигать максимальной к настоящему времени точности и даюгциь возможность изучения новых особенностей горизонтального поля скорости на Солнце.

2. Обработаны наблюдения,лровздекш« на фотогелиографе ГАС.

ГАЗ АН СССР и телескопе "АВР-2" ГАО АН СССР,по разработан!им методикам и получены разносторонние данные о динамике целого

ряда солнечных пятен, пор, факелов и т.п.

3. Главным итогом работы является обнаружение того факта,что

на малых щюстранст венных масштабах (десятые и сотые доли гелио-графического градуса) наиболее характерной особенность«) динамики плтен являются их квазипериодические колебания как относительно поверхности Солнца (абсолютные колебания),так и внутри самих пятен (относительные колебания) с характерными периодами порядка 7 суток (долгопериодические) и порядка НО минут (ко- • роткопзриодические).

4. Обнаружено,что абсолютные горизонтальные колебания пятен имеют две степени свободы.Соотношение периодов двух независимых мод связано с гелиоширотой пятна,а амплитуда короткопериодичес-ких колебаний модуля горизонтальной скорости пятна связана с его долготой в АО.Обнаружен повышенный уровень синхронизации корот-

копериодических горизонтальных колебаний у плтен одной АО по ■

сравнению с пятнами соседних АО,Полученные особенности свяэыва-отся с.взаимодействием с глобальным и крупномасштабным низкоширотными магнитными полями Солнца и обеспечивают независимое подтверждение солнечной природы обнаруженных колебаний.

5. Наряду с наблюдавшейся другими авторами крутильной модой обнаружена радиальная мода относительных горизонтальных колебаний солнечных пятен с Т=70-140 минут.Показано,что относительные короткопериодические горизонтальные колебания пятен имеют одну степень свободы и также могут быть синхронизированы в блиЗко расположенных пятнах вопышечно-активной АО.

- 13 -

Публикации и личный вклад автора. Основные результата диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Наговицын й.А., Наговицына В.Ю. Определение точных гелио-графичеоких координат на Горной станции ГАО АН СССР, I.

- Солн.данше, 198'+, № II, с.76-81.

2. Наговицын й. А., Наговицына Е.й. Определение точных гвлио-гра})ичеоких координат на Горной станции ГАО АН СССР, П.

- Солн.данше, 1984, К 12, с.54-59.

3. Наговицын Я.А.,Наговицына Б.Й. Координаты пятен и пор во время кольцеобразного солнечного затмения 30 мая 1984 г.

- Солн.данные, 1966, № 2, о.80-83.

4. Наговицын й.А.,Наговицына Е.Й. К трехмерной структуре поля скороотей активной области в солнечной атмосфере. - Солн. данные, 1986, № 5, c.78-8'f.

5. Наговицына Е.Й.,Наговицын Й.А. Некоторые особенности собственных движений солнечных пятен. - Солн.данше, 1986, »6, с.69-74.

6. Наговицын ¡0 .А., Наговицына E.D. Исследование поля скоростей полярных факелов. - Солн.данше, 1986, lf 12, 0.52-56.

7. Наговицына Е.й. Долгопериодическио колебания в группе пятен СЛ.» 199, 1984. - Солн.данше, 1987, № 3, 0.58-62.

8. Наговицын A.A.,Наговицына Е.й. О некоторых свойствах горизонтального поля скорости фотосферы Солнца по наблюдениям полярных факелов 25 илня 1984 г. - Солн .данные, 1987,

• № 10, с.85-90.

9. Наговицын Ö.АНаговицына Е.й. Исследование свойств дол-

гопериодичоских колебаний в избранных группах солнечшх пятен с поиощьз прецизионной методики. - о'олн.данные,

1989, К 6, с.93-97.

- -

10. Ихсанов Р.H.,Наговицына íJ.iQ. О линейной и квазикохебатель-

ной компонентах собственных движений оолнвчшх пятен по наблюдениям 13 января ШН г. - Соли.данные, 1990, 6 Ч,

о .77-83.

11. Наговицына Е.Д. Особенности поля окорооти в оолнечшх пятнах по наблюдениям 13 января 1984 г. - Солн.данные, 1990, » 5, с.79-86.

12. Наговицын Д.А.,Наговицына Б.Л. Об одном глобальном свойстве горизонтальных колебаний пятен. - Главная астрон.обс. АН СССР, Л., I9S0, 9 е., Деп.в ЗШ1ИТИ 20.09.90, И> 5II3-B90.

13. Наговицын Л.А.,Наговицына E.Ü. Модификация методики определения точных гелиографических координат. - Главная астрон.обс .АН СССР, J., 1990 , 5 е., Деп.в ВИНИТИ 20.09. 90, » 5III-390.

I'*. Ихсанои Р.Н..Наговицын Д.А.,Наговицына Е..0. Особенности собственных движений солнечных пятон 2'+ мня 1989 г. -Главная аотрон.обс. АН СССР, Л., 1990, 16 е., Деп.а ВИНИТИ 20.09.90, » 5II2-B90.

В /1,2,13/ личный вклад автора заключается в участии в разроботкз методики, алгоритмической реализации на ЭВМ, а в /2,13/, кроме того, - в обработке материала и участии в наблюдениях. В /3/ автору принадлежат измерения и расчет даншх на ЭВМ. В /4,9,12/ автор участвовал в обработке материалов и анализе результатов. 3 /5,6,8,10,14/ - в постановке задачи, наблюдениях, обработке и анализе результатов. /7,11/ написаны без соавторов. tyíituj "

PT1I ЛКЯ'Т'.зпк. 1214,тир. 130,уч.-изд.л.0,7; I/Xl-IOOOr. .Веснлатно