Источники, структура и эволюция крупномасштабного магнитного поля гелиосферы тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НАБЛЮДЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СОЛНЦЕ И В MEIПЛАНЕТНОМ ПРОСТРАНСТВЕ. СОПОСТАВЛЕНИЯ И МОДЕЛИ

1.1 Конфигурация силовых линий межпланетного магнитного поля

1.2 Величина межпланетного магнитного поля

1.3 Секторная структура ММП и ее вариации

1.4 Магнитное поле Солнца как звезды

1.5 Особенности крупномасштабных магнитных полей на Солнце

1.6 Основные модели крупномасштабной структуры магнитного поля гелиосферы и ее источников на Солнце

ГЛАВА П. ГЛОБАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛНЦА, СТРУКТУРА ПЛОТНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ КОРОНЫ И КОНФИГУРАЦИЯ МЕЖПЛАНЕТНОГО ТОКОВОГО СЛОЯ

2.1 Метод определения конфигурации межпланетного токового слоя на основе регулярных наблюдений солнечной короны на спут^ нике 0$0«

2.2 Конфигурация гелиосферного токового слоя и структура плот** ности солнечной короны' по данным наземных наблюдений

2«3 Сверхкрупномасштабное или глобальное магнитное поле Солнца

2.4 Изменения конфигурации гелиосферного токового слоя с расист ояни ем

2.5 Топология магнитных силовых линий в системе Солнце « межпланетная среда

2*6 Связь полученного распределения полярностей глобального магнитного поля с наблюдениями магнитного поля Солнца как з везды

ГЛАВА 1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯРНОСТЕЙ ГЛОБАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЦА И КОНФИГУРАЦИЯ МЕШАНЕТНОГО ТОКОВОГО СЛОЯ В

1971-1978 г.г

3,1 Общая характеристика каталога

3i2 Карты полярностей глобального магнитного поля Солнца и ко*» нфигурацил гелиосферного токового слоя в 1971-1978 г,г.

3.3 Проверка полученных результатов по данным наблюдений ММП на космическом аппарате "Пионер~11"

3.4 Сравнение найденного распределения полярностей глобально*» го магнитного поля Солнца с результатами расчетов магнитного поля на поверхности источника

3.5 Особенности глобального магнитного поля Солнца как основ*-ная причина искривления конфигурации гелиосферного токо^ вого слоя

ГЛАВА 1У. ВАРИАЦИИ КРУПНОМАСШТАБНОЙ СТРУКТУРЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ГЕЛИОСФЕРЫ И ГЛОБАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЦА

4.1 Быстрые изменения крупномасштабной структуры магнитного поля в системе Солнце ~ межпланетная среда

4.2 Эволюция гелиосферного токового слоя в цикле солнечной активности

4.3 Концепция динамичного глобального магнитного поля Солнца

4.4 Переполюсовка полярных магнитных полей в свете полученных результатов

4.5 Подтверждение найденной схемы эволюции глобального магнитного поля Солнца и гелиосферного токового слоя наблюдениями долговременных изменений структуры солнечной короны

4.6 Сравнение развиваемой концепции с другими моделями 176 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Солнце предоставляет нам уникальную возможность детального исследования физических явлений на поверхности звезды и в окружающем ее пространстве. И хотя многие из этих явлений не имеют еще хорошо обоснованного физического истолкования, общие контуры картины, возникающей при взаимодействии расширяющейся атмосферы звезды с ее собственным магнитным полем, принимают все более определенные очертания.

В настоящее время общепризнано, что солнечный ветер ~ это главный фактор, определяющий условия в межпланетном пространствеJl

14^, Плазма солнечного ветра начинает свое движение от Солнца и, постепенно ускоряясь до высоких ( ~ 5*10^ см/с) сверхзвуковых скоростей, заполняет гелиосферу - по определению J^I4J область во* круг Солнца, в которой доминирует солнечный ветер; Вследствие высокой проводимости солнечный ветер вытягивает "вмороженные" в него силовые линии магнитного поля Солнца, образуя межпланетное магнитное поле (ММП) или магнитное поле гелиосферы. Из-за вращения Солнца силовые линии ММП имеют характерный вид спиралей Архимеда, Наличие волн и неоднородностей течения плазмы солнечного ветра приводит к отклонениям от идеальной спиральной геометрии.

Исследования магнитного поля гелиосферы представляют значительный интерес, в основном, по следующим причинам.

Во-первых, магнитное поле гелиосферы есть доступный для детального изучения пример физических процессов, происходящих в окрестностях намагниченной звезды при наличии истечения. Здесь на первом плане чисто астрофизические аспекты проблемы.

Во-вторых, магнитное поле гелиосферы отражает характеристики крупномасштабных магнитных полей на Солнце и их эволюцию. Отсюда возникает вполне разумная идея об использовании данных по магниг тному полю гелиосферн для исследования тех особенностей крупномасштабно магнитных полей на Солнце, которые не удается определить с помощью других современных методов. Эти результаты, в первую очередь, важны для понимания физической природы магнитных полей на Солнце и, возможно, в других астрофизических объектах.

Наконец, вместе с параметрами плазмы солнечного ветра, магнитное поле гелиосферы играет роль граничных условий, определяющих картину взаимодействия межпланетной среды с частицами космических лучей» с кометами, планетами и т,д, В частности, процессы в маг** нитосфере Земли, ее верхней атмосфере, зависят от параметров ММП (см,, например, [ю«1з] ). Поэтому результаты изучения магнитного поля гелиосферы имеют выход на ряд важных практических приложений,1

Поскольку солнечный ветер и межпланетное магнитное поле генетически связаны с Солнцем, структура ММП должна отражать особен-*, ности распределения солнечных магнитных полей. Однако измерения ММП с помощью космических аппаратов показывают структуру магнит* ного поля, совершенно отличную от той, которая наблюдается на Солнце с помощью магнитографа* Например, хорошо известную секторную структуру ММП до сих пор не удается надежно связать с какими«либо особенностями на магнитограммах Солнца за тот же самый период, даже если эти магнитограммы получены с помощью современных магнитографов с высокой чувствительностью и разрешением,

С другой стороны, регистрация секторных границ ММП проводится лишь в узкой., области , приэкваториальных гелиографических широт, обычно Что происходит с секторной структурой ММП.на высо«* них гелиографических широтах <*• до с Их пор неясно. На этот счет существуют только предположения в рамках тех или иных моделей.

Отмеченные трудности проблемы, в первую очередь, обусловлены отсутствием достаточно эфффентивных методов исследования крупномасштабной структуры магнитных полей на Солнце и/в межпланетном пространстве.

Главной целью данной работы является:

1. Разработать достаточно надежный и эффективный метод определения секторной структуры МП не только в области низких, но так« же и высоких гелиографических широт, пока еще недоступных для ко« смичесних аппаратов,

2. Идентифицировать источники этой структуры на Солнце,

3• Исследовать основный свойства, динаугику и долговременную эволюцию крупномасштабной структуры магнитного поля гелиосферы и ее источников на Солнце.

Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения*

В первой главе приведены некоторые результаты исследования ма«* гнитных полей на Солнце и в межпланетном пространстве. Рассмотрены известные сведения о крупномасштабных особенностях магнитного поля Солнца, полученных, главным образом, с помощью магнитографи* ческих методов исследований. Представлены результаты исследования секторной структуры ММП и ее вариаций. Обсуждае&ся поведение средней величины ММП в цикле солнечной активности* Более подробно изложены результаты поиска следов секторной структуры ММП на Солонце и сделан, общий вывод о малоуспешности подобных попыток. При« ведено краткое описание основных современных моделей крупномасштабной структуры магнитного поля гелиосферы и ее источников на Солнце и отмечены трудности этих моделей.

Вторая глава посвящена описанию предложенного метода определения границ раздела противоположных полярностей крупномасштабного магнитного, поля гелиосферы (межпланетного токового слоя) и соот«* ветствующего распределения полярностей глобального магнитного по« ля Солнца, определяющего конфигурацию межпланетного токового слоя.

Полученные с помощью предложенного метода результаты подтвердили существовавшую ранее концепцию межпланетного или гелиосферного токового слоя и позволили определить секторную структуру ММП не только в области низких, но также и высоких гели©графических широт, недоступных для современной космической техники. При этом показано, что секторная структура ММП должна занимать ограниченный диапазон по гелиографической широте, а на более высоких широтах межпланетное магнитное поле униполярно, без секторной структуры ^15,1б] ♦ Позднее эти выводы были подтверждены результатами уникальных измерений ММП на космическом аппарате "Пионер«11", ко~ торый поднялся над плоскостью эклиптики до гелиографической широты 16° и действительно зафиксировал здесь отсутствие секторной структуры [17],

В отличие от результатов "Пионерки", которые дали лишь верхнюю границу протяженности межпланетного токового слоя в северной полусфере Солнца в 1976 году, предложенный метод позволил определить всю трехмерную конфигурацию токового слоя и не только для 1976 года, но и для других периодов, не очень близких к максимуму солнечной активности,

В последнем разделе этой главы показано, что полученное распре*» деление полярностей глобального магнитного поля Солнца тесно связано с наблюдаемыми вариациями магнитного поля как звезды, что является, еще одним независимым подтверждением правильности полученных нами результатов. Выводы этого раздела могут быть полезны при интерпретации наблюдений магнитных полей других звезд»

В третьей главе представлено систематическое изложение результатов определения конфигурации гелиосферного токового слоя и соответствующего распределения полярностей глобального магнитного поля Солнца в 1971-1978 г.г. Эти данные представлены в виде карт и собраны в единый каталог. Тем самым получен обширный материал для изучения структурных особенностей и динамики крупномасштабно^ го магнитного поля гелиосферы, а также его источников на Солнце,

Этот наталог может быть полезен при исследовании различных во^ просов солнечно-земной физики, например, при изучении вариаций космических лучей, для целей прогнозирования геомагнитной активности и др».

Далее проведено детальное сопоставление полученных результатов с данными наблюдений ММП на космическом аппарате "Пионер-11", а также с расчетами магнитного поля на так называемой поверхности источника вблизи Солнца, Обсуждается сходство и некоторые различия деталей результатов расчетов с данными каталога. Показано, что измерения ММП на аппарате "Пионер-11" во всех деталях очень хорошо согласуются с полученной нами конфигурацией гелиосферного токового слоя за тот же самый период,

В четвертой главе рассмотрена динамика и долговременная эволюция крупномасштабного магнитного поля гелиосферы в цикле солнеч-* ной активности.

Предварительный анализ карт каталога показал, что наряду с периодами длительной (~ 1 года) стабильности наблюдаются быстрые ('У 1-2 мес.) изменения конфигурации гелиосферного токового слоя, обусловленные перестройкой в глобальном магнитном поле Солнца»

Данные каталога за 1971-1978 г.г, показывают, что отмеченные вариации происходят на фоне долговременной эволюции в цикле солнечной активности. Прежде всего это проявляется в изменениях диа« паз она гели©графических широт, в котором заключена конфигурация межпланетного токового слоя. Минимальная протяженность токового слоя или секторной структуре ММП по гелиографической широте (+15°).наблюдалась в 1976 году, т.е. как раз в минимуме солнечной активности. На фазе роста солнечней активности с 1976 по 1978 год отмечается быстрое возрастание диапазона гели©графических широт4 занимаемых межпланетным токовым слоем. Эти долговременные изменения отражают, в первую очередь, поведение дипольной1 гармоники глобального магнитного поля Солнца. Показано, что' в годы минимума солнечной активности угол между дипольным магнитным моментом и. осью вращения Солнца минимален. Однако при увеличении солнечной активности, как показывает анализ различных наблюдательных данных, этот угол увеличивается вплоть до 90° и далее происходит "переворот" дипольного магнитного момента Солнца, Величина дипольного момента в процессе этой эволюции, по-видимому, не испытывает существенных изменений. Подобная точка зрения, которую условно можно назвать концепцией "динамичного глобального магнитного поля Солнца", в общих чертах согласуется с моделями Свалгар-да и др., Саито и Антонуччи, но принципиально отличается от других модельных представлений, например, от традиционно принимаемой ги» потезы "мигающего северо-южного магнитного диполя" или от модели "постоянного дипольного магнитного поля Солнца"^

В диссертации проведено сравнение модели "динамичного глобального магнитного поля Солнца" с другими моделями и степень их согласованности с различными наблюдательными данными. Для проверни моделей были использованы данные прямых измерений солнечного ветра и ММП. и результаты исследований с помощью космических лучей, наблюдения Солнца и солнечной короны, комет, геомагнитной активности, а также данные радиоастрономических наблюдений. Показано, что весь этот обширный комплекс экспериментальных данных без серьезных за** труднений.укладывается в рамки предложенной концепции "динамичного глобального магнитного поля Солнца". В.то же время ни одна из конкурирующих моделей не обнаруживает подобной степени согласованности.

Совокупность полученных результатов, в первом приближении, дает законченное,представление об источниках, структуре и эволюции крупномасштабного магнитного поля гелиосферы.

В заключении кратко изложены главные результаты проведенных исследований.

На защиту выносятся следующие основные научные положения.

1. Предложен и разработан метод определения границ раздела полярностей глобального магнитного поля Солнца и конфигурации межпланетного токового слоя на основе наблюдений солнечной короны в белом свете *

2. С использованием предложенного метода составлен каталог карт полярностей глобального магнитного поля Солнца и конфигурации межпланетного токового слоя в 1971-1978 г.г.

3. Показано, что глобальное магнитное поле Солнца подобно полю "искаженного" магнитного диполя, наклоненного относительно оси вращения Солнца.

4. Полученные результаты объясняют явление магнитной переменности Солнца как звезды. Показано, что наблюдаемые вариации суммарного магнитного потока от видимой солнечной полусферы определяются, главным образом, распределением глобального магнитного поля и эффектом вращения Солнца;

5. Установлено, что иногда в гелиосфере могут одновременно существовать по крайней мере два не пересекающихся друг с другом межпланетных токовых слоя, определяющих секторную структуру МП, Отмечена асимметрия гелиосферного токового слоя относительно плоскости солнечного экватора, которая сохранялась в течение нескольких лет на фазе спада 20 цикла слнечной активности*

6. На материале составленного каталога с привлечением других экс* периментальных данных найдена долговременная эволюция глобального магнитного поля Солнца и конфигурации межпланетного токового слоя в цикле солнечной активности. Показано, что в годы минимума солнечной активности граница раздела противоположных полярностей глобального магнитного поля Солнца и конфигурация межпланетного токового слоя заключены в узком диапазоне приэкваториальных гелиографических широт (~+ 15°), тогда как в период максимума солнечной активности граница раздела полярностей глобального магнитного поля и секторная структура МП достигает солнечных полюсов. 7. На фоне этой долговременной эволюции обнаружены быстрые (~1-2 мес.) изменения в распределении глобального магнитного поля Солнца и в конфигурации межпланетного токового слоя, а также наличие периодов продолжительной (~1 года) стабильности. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ. Полученные результаты представлялись на Всесоюзном симпозиуме по физике геомагнитосферы (Иркутск, 1977); на 15-й Международном конференции по носмическим лучам (Болгария, Пловдив, 1977); на Международном симпозиуме "Солнечный ветер - результаты прямых и радиоастрономических наблюдений" (Москва, 1979); на Международном симпозиуме по солнечно-земной физике (Ашхабад, 1979); на Всесоюзной конференции

Прогнозирование состояния магнитосферы"(Иркутск, 1980); на Международном семинаре "Космофизические аспекты исследования космических лучей" (Алма-Ата, 1980); на школе, посвященной памяти проф. С.И,Сыроватского (Рига, 1981); на Всесоюзном совещании по итогам выполнения проекта "Международные Исследования Магнитосферы" (Ашхабад, 1981); на 18-й Международной конференции по космическим лучам (Индия, Бангалор, 1983),

1. НАБЛВДЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СОЛНЦЕ И В МЕЙ-ПЛАНЕТНОМ ПРОСТРАНСТВЕ. СОПОСТАВЛЕНИЯ И МОДЕЛИ

Силоше линии магнитного поля гелиосферы выходят из Солнца, пронизывают солнечную хромосферу и корону и уходят в межпланетное пространство. Поэтому для нас представляет интерес сравнить основные особенности организации магнитных полей на Солнце и вдали от него по результатам современных исследований;

В этой главе рассмотрены известные наблюдательные данные о магнитных полях на Солнце и в межпланетном пространстве, в основ-' ном, крупномасштабных. Отдельный параграф посвящен анализу существующих моделей, в рамках которых характеристики магнитных полей на Солнце связываются с крупномасштабной (секторной) структурой ММП. Поназано, что каждая из этих моделей встречает трудности при сопоставлении с наблюдательными данными и потому в настоящее время невозможно сделать окончательное заключение, о том, какая из них ближе всего соответствует реальности.

Подробное описание результатов ранних исследований солнечных магнитных полей можно найти, например, в работах [18-22]. Наиболее важные достижения последних лет опубликованы в ^5,8,13, 23-27]. Краткое изложение современного состояния исследований магнитных полей на Солнце именно в контексте рассматриваемых здесь вопросов дано в обзорной работе •

Результаты изучения магнитных полей в солнечной короне и межпланетном пространстве довольно подробно представлены в 10,13,29-40].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кратко результаты данной работы сводятся к следующему, j

Предложен и разработан метод изучения глобальных характеристик магнитных полей на Солнце, в солнечной короне и межпланетном пространстве. Метод основан на анализе регулярных наблюдений солнечной короны в белом свете и позволяет находить границу раздела полярностей глобального магнитного поля Солнца и форму гелиосферного или межпланетного токового слоя.

С помощью этого метода была впервые определена реальная трехмерная конфигурация межпланетного токового слоя, т.е. найдена секторная структура ММП на всех гелиографических широтах, в том числе и на тех широтах, которые в настоящее время недоступны прямым измерениям на космических аппаратах. Во-первых, полученные результаты подтвердили справедливость существовавшей ранее концепции межпланетного токового слоя. Во-вторых, удалось обнаружить такие ранее неизвестные характеристики межпланетного или гелиосферного токового слоя, как асимметрия его конфигурации от*» носительно плоскости солнечного экватора. В-третьих, был установлен факт§одновременного существования в гелиосферё нескольких не пересекающихся друг с другом межпланетных токовых слоев, определяющих секторную структуру МП.

Прослежен процесс зарождения и выхода в межпланетное пространство новой структуры гелиосферного токового слоя и связь этого процесса с некоторыми явлениями в солнечной атмосфере»

Проведена оценка эффекта сжатия конфигурации межпланетного токового слоя к солнечному экватору при удалении от Солнца, которая оказалась существенно меньше, чем предполагалось в некоторых моделях ММП*

Показано, что глобальное магнитное поле Солнца, в первом приближении, подобно полю "искаженного" магнитного диполя, магнитный момент которого не совпадает с осью вращения Солнца, Это позволило объяснить явление магнитной переменности Солнца как звезды, по крайней мере, в первом приближении, особенностями распределения глобального магнитного поля и эффектом вращения Солнца,

На основе полученных результатов и данных измерений магнитного потока Солнца как звезды проведена оценка величины глобального магнитного поля Солнца (^2 Гс), которая хорошо согласуется с другими независимыми оценками,

С использованием предложенного метода составлен каталог карт полярностей глобального магнитного поля Солнца и конфигурации межпланетного токового слоя в 1971-1978 г.г,, который может быть полезен при исследовании различных вопросов солнечно-земной физики, Обнаружены быстрые, за время^0.1 года, изменения конфигурации гелиосферного токового слоя в ответ на перестройку глобального магнитного поля Солнца, Отмеченные кратковременные вариации наблюдаются на фоне долговременной эволюции в цикле солнечной активности.

Показано, что долговременная эволюция глобального магнитного поля Солнца в цикле активности, в основном, сводится к изменению преимущественной ориентации магнитного энватора или границы раздела противоположных полярностей из приэкваториального в годы минимума солнечной активности в меридиональное для периода максимума, Эта эволюция отражается и в конфигурации межпланетного токового слоя, определяющего секторную структуру ММП. В годы минимума солнечной активности гелиосферный токовый слой и секторная структура ММП ограничены узкой областью приэкваториальных гели ографических широт, а в период максимума токовый слой имеет, преимущественно, меридиональную ориентацию и может проходить через полярные шапки Солнца.

Проведена проверка подобной концепции "динамичного глобального магнитного поля Солнца" по данным различных наблюдений и дано| ее сравнение с другими моделями;

1. Паркер Е.Н. Динамические процессы в межпланетной среде. -М.: Мир, 1965. - 362 с.

2. Солнечный ветер. /Под ред. Р.Дж.Маккина и М.Нейгебауэр. -М.: Мир, 1968. 439 с.

3. Solar Wind. /Ed. by C.P.Sonett, P.J.Coleman, Jr., and J*M. Wilcox. Washington, D.C.: NASA, 1972. - 717 p.

4. Брандт Дж. Солнечный ветер. М.: Мир, 1973. - 207 с.

5. Наблюдения и прогноз солнечной активности. /Под ред. П.Макинтоша и М.Драйера. М.: Мир, 1976. - 352 с.

6. Solar Wind Three. /Ed. by C.T.Russel. Los Angeles: Inst. Geophys. Planet. Phye. Univ. Calif., 1974. - 487 p.

7. Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.: Мир, 1976. - 302 с.

8. Solar and Interplanetary Dynamics, IAU Symp. No. 91. /Ed.by M.Dryer, E.Tandberg-Hanssen. Dordrecht: Reidel, 1980. -558 p.

9. Коваленко В.А. Солнечный ветер. M.: Наука, 1983. - 272 с.

10. Акасофу С.-И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Часть I. -М.: Мир, 1974. 384 е.; Часть 2. - М.: Мир, 1975. - 512 с.

11. Пудовкин М.И., Козелов В.П., Лазутин Л.Л., Трошичев О.А., Чертков А.Д. Физические основы прогнозирования магнитосфер-ных возмущений. Л.: Наука, 1977. - 312 с.

12. Солнечно-земные связи, погода и климат. /Под ред. Б.Мак-Кор-мака и Т.Селиги М.: Мир, 1982. - 382 с.

13. Physics of Solar Planetary Environments. Proceedings of the Int. Symp» on Solar-Terrestrial Physics. June 7-18, 1976» Boulder, Colorado. /Ed. by D.J.Williams. Boulder: Publ. by AGU, 1976* - 1040 p.

14. Dessler A.J. Solar wind and interplanetary magnetic field.1516,17