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

АЩВМИЯ НАУК СССР ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ АН СССР

На правах рукопиои

Наговицына Елена Юрьевка

УДК 523.98

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАЗИПВРИОДИЧВСКИХ ДВИЖЕНИЙ ПЯТЕН И ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПОЛЯ СКОРОСТИ НА ССЯНЦй КООРДИНАТНЫМИ МЕТОДАМИ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность 01.03.03 - Гелиофизика и физика

Автореферат диооертации на ооиоканиз ученой отепени кандидата физико-математических наук

Солнечной оиотеш

Ленинград 1990

Работа выполнена в Главной аотрономичаокой обсерватории АН СССР.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Р.Н.Ихоанов.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математичеоких наук В.Н.Обридко,

кандидат физико-математичеоких наук Ю'.И.Витинский.

Ведущая организация: Крымская аотрофизичеокая обсерватория АН СССР.

Защита ооотоитоя " ^асс^^С^ 1990 г.

в ^У чао. ОЭ мин. на заседании специализированного оовета (шифр К 002.92.01) в Главной астрономической обсерватории АН СССР (196140, г Ленинград, Пулково). С диосертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО АН СССР.

Автореферат разослан н Г« Хмл " 1990 г*

Ученый секретарь специализированного .

совета кандидат физ.-мат. наук

Б.К.Багильдинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Изучение поля скорости на Солнце, играо-щего 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 солнечных пятнах с большой остротой поставили вопрос о периодических процессах в горизонтальном поле окорооти. Пространственные маопггабы этих процессов являются 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 нэстпг ционарнооть оолнечных магнитных структур различных масштабов.

Применение прецизионных методик при определении координат пятен, факелов и т.п. позволяет повыоить 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 горизо!Н талышх колебаний в поле скорости. В этой работе будут представлены данные об обнаруженных колебаниях пятен с характерными периодами порядка 70 - 1^0 минут и 3 - II суток.ооотав-ляюцими важную компоненту горизонтального поля скорости на малых прост ранетпеншх иасетабах.

Цель работы заключалась в исследовании горизонтального поля скорости фотос;)врних объектов (пятен, факелов и т.[О

с помощью прегчзионшх методов определения 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 набллдений фотосферы.

2. Проведош наблюдения на фотогелиографе 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 гелиографичеоких координат объектов на Солнце, обеопе-'¿иваощие точность не хуже 0.05 гелиографического градуоа в зоне пятнообразования, наивысшую к настоящему времени.

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

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

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

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

- Исследованы относительные горизонтальные колебания в

пятнах и наряду с крутильной обнаружена радиальная мода. Найдено, что относительна горизонтальные колебания солнечных пятен имеет одну степень свобода.

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

Научная и практическая значимость диссертации оостоит в том, что полученные в ней результаты важны для дальнейшего прогресса в вопроое определения абсолятных гелтогра{шческих координат, для лучшего понимания динамики солнечных магнитных структур и особенно для осознания значения и широкой распространенности различных колебательннх процессов в поле скорооти.

1. Разработанные методики существенно повышает точность абсолотшх'координатшх измерения за счет алгоритмического проведения разнообразных коррекция и могут применяться для обработки наблюдения на фотогелиографах со сравнительно скромными оптическими характеристиками.

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

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

о горизонтальном пеле окорости солнечных магнитных структур.

Автор выносит на заниту:

I. Математические, исследовательские и апробационные раз-

работки при создании 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 рассчитанное о применением прецизионных методик.

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

Результат о существовании двух отепеней свободы абсолотных горизонтальных колебаний пятен и данные по глобальной (ооесиммэтричной) и крупномасштабной (ноооеоимметричной) закономерностям пространственной организации параметров этих колебаний.

5. Результат о существовании относительных горизонтальных колебаний пятен о периодами порядка 70 - 140 минут, имеющих одну степень свободы, и о возможности оинхронизации этих колебаний в близко расположенных пятнах.

Апробация работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывалиоь на Пленуме секции "Солнце" (Киев, 198'+), совещаниях рабочих групп "Колебания и волны на Солнце" (Рига, 1985), "Активное Солнце" (Симферополь, 1986), конференции памяти проф. Г.М.Никольского (Кисловодск, 1986), ХШ консультативном совещании КАПГ (Ленинград, 1987), Всеооязноя конференции "Физика Солнца" (Алма-Ата, 1987).

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

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав текста, заклйчения и списка литература. Ее объем составляет 178 страниц, включая V* риоунка на 33 страницах, 13 таблиц на 13 страницах и 133 наименования библиографических иоточников на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБ ОТ и

Во Введении обоснов)ваетоя актуальность проблемы исследования динамики пятен на малых пространственных масштабах, сформулированы основные решаемые в связи о этим задачи и методические приемы, характеризующие новизцу работы. Перечисляются результаты, выносимые на защиту. Кратко описиваетоя структура и содержание диссертации.

В первой главе на основе обзора результатов разных авторов проводится анализ структуры горизонтального поля скорости солнечных пятен и приводятся аргументы в пользу существования в нем особой компоненты - квазиколебатэльной, которая хаг рактерна для движений на малых пространственных маоиггабах.

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

По второй главе рассматриваются различные искажающие факторы атмосферного и инструментального происхождения, снижающие точность получения абсолютных гелиогра^ических координат солнечных деталей: сезонные и суточные вариации угла между истинной 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 земнои атмосфере, случайных ошибок при наведонии на край, эффектов иррадиации, неперпендикулярнооти кассетной плоскости главной оптической оси телескопа и т.п.; кривизна небесной параллели; вариации рефракции; масштаб као.сегы. Предлагаются методы их выявления, оценки и коррекции, положенные в основу разработанных методик "Гэликор" и "Геликор-М".

Приведены блок-схемы алгоритмов указаншх 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 "Геликор-М" - не хуже 0.05 гелиографического градуса в зоне пятнообра-зования,- что является наищовей точностью определения абсолютных гелиограТжческих координат пятен к настоящему времени.

В. третьей главе на основе рассмотрения 36 пятен показано, что в традиционно исследуемых собственных движениях, пятен в системе абсолютных кэррингтоновских координат с суточным временным разрешением содержатся квазипериодические составляющие, имеющие амплитуду порядка 0.2 - 0.3 гелиографического градуса. Найдено, что в 78? случаев абсолютные горизонтальные колебания пятен имеют периоды Т, больше 2 и меньшие 12 суток, с максимальной встречаемостью вблизи 7 суток ("долго-периодические" колебания). Обнаружено, что долгопериодические абсолютные горизонтальные колебания пятен имеют две степени свободы, а соотношение периодов двух независимых - меридиональной и долготной - мод колебаний пятна определяется его гелио-грвфической широтой.

Рассмотрены примеры других типов горизонтальных колебаний -оси биполярной группы с Т*»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-фазе в головном и хвостовом пятнах биполярных групп. Рассмотрена пространственная структура относительных: движений в пятне и обнаружено, что движение в пятнах происходит вдоль вихресбраз-ных линий, имеет противоположное направление в тени, полутеки 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 15 минут. Получено, что у всех рассмотренных пятен имелась квазипэриодическая компонента движения с характерной амплитудой 0.02-0.03 гелиографического градуса, в 71% случаев локальные оценки периодов главных гармоник лежат в интервале 70-140 минут с максимальной встречаемостью вблизи Т=П0 минут ("короткопериодичэские" колебания).

Найдено,что абсолютные горизонтальные коротколориодические колебания пятен, кал и долгопериодические,имеют две степени сео-

боды и соотношение периодов независимы* мод связано с гелиогра-фической широтой пятна.Обнаружено,кроми того, что величина максимальной горизонтальной скорости пятен сввдана с долготой пятна в активной области (АО).Приводятся данные,укааыпгдащие на повышенный уровень синхронизации абсолютных короткопериодических горизонтальных колебаний пятен внутри Аи и на возможную связь этого явления с солнечными вспышками. Рассмотрены короткопериоди-ческие относительные горизонтальные колебания пятен. Кроме уже известной исследователям крутильной 8 -моды обнаружена радиальная К -мода квазипериодических колебаний с характерными периодами основной гармонихи 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 полей 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 хромосферних высотах АО наблюдаются вариации горизонтального вращения оси биполярной группы,причем амплитуда этих вариаций меняется с высотой,что должно сопровождаться периодическими усилениями магнитного шкра и,следовательно,вспылечной активности. Рассмотрены глобальная и крупномасштабная компоненты горизонтального поля скорости полярных факелов отдельно для долготной и меридиональной составляющих скоростсй движения. Впервые оценена величина ксви-риации этих составляющих в высоких и средних широтах Солнца и обнаружено,что она достаточна для поддеркания поверхностного дифференциального вращения крупномасштабными вихревыми движениями. Согласно рассмотренным в работе данным крупномасштабные структуры в поле скорости полярных факелов представляли собой аональ-ные эксцессы нед 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 объектоз на Солнце,позволяющие достигать максимальной к настоящему времени точности к длящие возможность изучения новых особенностей горизонтального поля скорости на Солнце.

2. Обработаны наблюдекмя.провздекньда на фотогелпогрг;ф? ГАС.

ГАО АК СССР и телескопе "АВР-2" ГАО АН СССР,по разработанным 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 пространственных масштабах (десятые и сотые доли гелио-графического градуса) наиболее характерной особенностью динамики плтен являются их квазипериодические колебания как относительно поверхности Солнца (абсолютные колебания),так и внутри самих пнтеи (относительные колебания) с характерными периодами порядка 7 суток (долгопериодические) и порядка ПО минут (ко-роткопзриодические).

4. Обнаружено,что абсолютные горизонтальные колебания пятен имеют две степени свободы.Соотношоние 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 пятен одной АО по •

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

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

- 13 -

Публикации и личный вклад автора. Основное результата диссертации опубликованы в оледуящих работах:

1. Наговицын Ю.А..Наговицына Е.10. Определение точных гедио-графических координат на Горной станции ГАО АН СССР, I.

- Солн.данше, I9&», № II, с.76-81.

2. Наговицын O.A.,Наговицына Е.й. Определение точных гелио-гра$ичеоких координат на Горной станции ГАО АН СССР, П.

- Солн.данные, 198'ь К 12, с.5^-59.

3. Наговицын ¡O.A.,Наговицына E.Ö. Координаты пятен и пор во время кольцеобразного солнечного затмения 30 мая I9&'* г.

- Солн.данные, 1986, Я 2, о.80-83.

. Наговицын O.A.,Наговицына В.0. К трехмерной структуре поля скороотей активной области в солнечной атмосфере. - Солн. данные, 1986, № 5, С.7&-84.

5. Наговицына E.Ö.,Наговицын O.A. Некоторые особенности собственных движений солнечных пятен. - Солн.данше, 1986,

К 6, с.б9-7*>.

6. Наговицын 0.А.,Наговицына E.ß. Исследование поля окорос-тей полярных факелов. - Солн.данше, 1986, f 12, о.52-56.

7. Наговицына Б.Ю. Долгопериодическяо колебания в группе пятен СД.К 199, 198'*. - Солн.данные, 1987, )f 3, 0.58-62.

8. Наговицын Ö.А.,Наговицына Е.й. О некоторых свойствах горизонтального поля окорости фотосферы Солнца по наблюдениям полярных факелов 25 июня 198*» г. - Солн.даншо, 1987,

• № 10, с.85-90.

9. Наговицын ö .А.,Наговицына Е.О. Исследование свойств дол-

гопериодических колебаний в избранных группах солнечшх пятен с помощью прецизионной методики. - иолн.данные,

1989, £ 6, с.93-97.

10. Ихсанов Р.Н.,Наговицына IJ.il. О линейной и квазиколебатель-

ноя компонентах собственных движений оолнечных пятен по наблюдениям 13 января 198'« г. - Солн.данные, 1990, К 4,

с.77-83.

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

12. Наговицын ¡0. А., Наго вицына Б.О. Об одном глобальном свойстве горизонтальных колебании пятен. - Главная астрон.обс. АН СССР, Л., 1990, 9 е., Деп.в ЗШ1ИТИ 20.09.90, & 5ИЗ-В90.

13. Наговицын Л.А.,Наговицына Е.й. Модификация методики определения точных гелиографических координат. - Главная аотрон.обс.АН СССР, I.. 1990, 5 е., Деп.в ВИНИТИ 20.09. 90, # 5111-390.

14. Ихсанои Р.Н..Наговицын .0.А.,Наговицына Е..0. Особенности собственшх движений солнечных пятон 2'* ианя 1989 г. -Главная астрон.обс. АН СССР, Л., 1990, 16 е., Деп.в ВИНИТИ 20.09.90, № 5112-090.

В /1,2,13/ личный вклад автора заключается в участии в разроботке методики, алгоритмической реализации на ЭЭМ, 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. -^¿«¿у "

РТИ ЛгаТ',ппк.12Г4,тир. 130,уч.-изд.л.0,7; 1/Х1-1990Г. бесплатно