Короткопериодические колебания солнечной активности и их возможные механизмы тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РГБ Ой

г-\! ',0?*ь, РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

' 1; ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

ИВАНОВ Владимир Геннадьевич

УДК 523.92 УДК 523.98

КОРОТКОПЕРИОДИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СОЛ"ЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ИХ ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и Физика Солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата фиэико-матенатических наук

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

ИВАНОВ В*адимир Геннадьевич

УДК 523.92 УДК 523.98

КОРОТКОПЕРИОДИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ИХ ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и Физ1ка Солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена г Главной астрономической обсерватории Российской Академии наук.

Научный рукоподитель доктор Физико-математических наук

Р.Н.Ихсанов.

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук В.Н.Обридко.

кандидат физико-математических наук Д.И.Понявин.

Ведущая организация Крымская астрофизическая обсерватория.

;!Э1дита диссертации состоится " 3 " С}С/11994 г. н час-3^) мин. на заседании специализированного совета

(шифр К 002.92.01) при Главной астрономической обсерватории РАН по адресу 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д. 65. кор.1

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Главной астрономической обсерватории РАН.

Автореферат ра

зоо«н 2. с&кг&З/А

1994 г.

Учиний секретарь специализированного совета к-чндидпт фи?.-мат. наук

Ю . А. Нг-дгоьицым

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Различные периодические процессы, происходящие на Солнца, давно ухе привлекают пристальное внимание исследователей. Исторически первым из таких процессов бил открытый еше в середине прошлого гека 11-летний цикл солнечной активности. В настоящее время установлено, что происходящие на Солнце процессы проявляют периодичности в очень широком диапазоне - от нескольких минут до сотен и более лет. Изучение таких периодичностей чрезвычайно панно для понимания физики происходящих на Солнце явлений. Так, недавно возникшая отрасль гелиофизики - гелносейсмология - на основании изучения спектра глобальных акустических колебаний фотосферы дала возможность получить уникальную информацию о строении внутренних областей Солнца.

За последние два-три десятка лет постепенно стало ясно, чти солнечная активность на масштабах времен, мен'ШИл. 11-летнего солнечного цикла, но больших. чем связанные с долготной неоднородностью солнечных явлений оборотные периодичности, также проявляет периодические закономерности. Подобное явление получило название "короткопериодические колебания солнечной активности" (или, короче, "короткопериодическая солнечная активность", КПСЛ). Одна причин, по которым данное явление обратило на себя внимание исследователей столь поздно, состоит в том, что Бее существенные характеристики этого явления - такие, как амплитуда, фаза и точное значение периодов - но ярляются устойчивыми, а варьируются, поэтому, строго говоря, эти колебания следует обозначать термином "квазипериодические", а не "периодические". Так, например., амплитуда КИСА может меняться от полного исчезновения до значений, превышающих амплитуду 11-летнего цикла. Последняя ситуация имела место с колебаниями солнечной активности периода около li.it) суток, чрезвычайно мощно проявивших себя в максимуме 21-го цикла, что привлекло к этой периодичности особое внимание исследователей. Били обнаружены и другие достаточно ярко выраженные периодичности солнечной активности с периодами от нескольких месяцев до нескольких лет, и, тем самым, показано, что спектр КПСА является мультипериодическим. Изучение подобного явления потребовало исследования разнообразных солнечных характеристик, а также применения к ним нетривиальных методов числовой обработки, что

стало возможным лишь в последние десятилетия с связи с широким распространением вычислительной техники.

Несмотря на наличие обширного наблюдательного материала по КПСА, убедительные теоретические интерпретации ¡»того явления пока отсутствуют. Между тем задача поиска . механизма этих короткопериодических колебаний . чрезвычайно актуальна для физики Солнца. Прежде всего, объяснение короткопериодической солнечной активности углубило бы наше понимание механизмов солнечной цикличности, а также солнечной активности в целом. Тот примечательный факт, что некоторые солнечные характеристики, не связанные с солнечной активностью - например, диаметр Солнца или поток солнечных нейтрино - также проявляют периодичности, близкие к тем, которые наблюдаются в активных явлениях, говорит в пользу того предположения, что в основе всех этих явлений лежит единый фундаментальный механизм, а источник этих периодичностей располагается во внутренних областях Солнца. В этом случае изучение короткопериодических колебаний может дать нам информацию о строении внутренних областей Солнца вплоть до его ядра и, тем самым, явиться независимым от гелиосейсмологии методом анализа глубинных слоев Солнца. Наконец, важное прикладное значение создания теории короткопериодической солнечной активности состоит в том, что без понимания физики этого явления невозможно сколько-нибудь точное

прогнозирование явлений солнечной активности. •

целью данной работы является исследование короткопериодических колебаний солнечной активности и ее возможных механизмов. В соответствии с этим ставятся следующие задачи:

1. Исследование короткопериодических колебаний различных индексов солнечной активности и анализ проявляемых этими колебаниями пространственных и временных закономерностей.

2. Анализ магнитогидродинамических свойств конвективно устойчивых внутренних областей Солнца и возможности связи этих областей с различными периодичностями солнечной активности.

3. Анализ возможных механизмов короткопериодических колебаний солнечных характеристик и их соответствия результатам наблюдений.

4. Исследование свойств гидродинамических мод колебаний Солнца и возможности их связи с короткопериодическими колебаниями солнечной активности.

- 5 -

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

1. Впервые показано, что теоретически достижимая точность определения 'фазы " 150-суточной" периодичности в существующих данных г.о солнечной активности не дает возможности достоверно установить Фаговую когерентность этой периодичности в разных солнечных циклах.

2. Предложен новый метод проверки долготной пространственной глобальности КПСА, основанный на изучении корреляции . между фазой периодичности и долготной дисперсией ее проявлений..

3. Предложен новый метод аналнза возможной структуры магнитного поля в лучистой зоне Солнца на основании гелиосейсмологических данных.

4. Предложен новый механизм сглаживании локальности источника короткопериодических колебаний солнечной активности, основанный на распространении альве.ювских волн под дном конвективной зону.

5. Впервые продемонстрировано, что линейная теорич гидродинамических мод не обеспечивает их связывания во вращательные гидродинамические структуры в той степени, в какой это н'обходимо для объяснения наблюдаемого . спектра КПСА оиениями этих структур, и что, следовательно, объединяющее моды колебаний в структуры взаимодействие должно быть существенно нелинейным.

6. Впервые показано, что области локализации вращающихся в лучистой и конвективной зонах Солнца гидродинамических структур перекрываются слабо, и непосредственное взаимодействие этих структур не может вызвать тс^й мощности соответствующих периодичностей КПСА, которая следует из наблюдений.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в ТОМ, что проведенные в ней исследования накладывают ограничения на возможные сгюйствэ источника короткопериодической солнечной активности и механизма переноса колебаний этого источника к поверхности Солнца. Это, и свою очередь, позволяет на основании изучения свойств периодичностей солнечной активности сделать некоторые выводы относительно внутреннего строения Солнца.

НА_ЗДШИ1Х_ЕШШСЛ1Са:

1. Результаты анализа фазовой когерентности "150-суточной" периодичности солнечной активности, демонстрирующие нескореллированнооть фазы этих колебаний в разных солнечных циклах.

2. Результаты теоретического анализа магнитогидродинамических

- в -

условий в конвективно устойчивых внутренних областях Солнца.

3. Метод анализа возможной структуры магнитного поля в лучистой зоне Солнца на основании гелиосейсмологических данных.

4. Результаты основанного на линейной теории гидродинамических колебаний исследования модели, объясняющей КПСА биениями вращающихся гидродинамических структур.

йЛЕ0ЕД1ШЯ_ЕДЕ01Ы.. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на научных семинарах Пулковской обсерватории.

ПУШ1КШ1ИЛиЛШШЙ_аКЛАД_ДЕ1С£Д. Но теме диссертации автором выполнено 4 работы. Из них работы [1,3,4] выполнены без соавтором, а в работе 12], написанной в соавторстве, автор участвовал как. в постановке, так и в решении поставленной задачи.

0Е1ЕН И СХР-ЦЩХ&_ДИССЕРТАЦИИ. Дисс ртация состоит из

введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 139 страниц, включая 21 рисунок на 20 страницах, 5 таблиц на 2 страницах и список литературы, содержащий 128 наименований на 7 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

80.-ВВЕДЕНИИ дается краткое описание рассматриваемой проблемы и обосновывается актуальность темы исследования, характеризуется научная новизна работы, формулируются ее цели, приводятся основные результат», выносимые на защиту, и список публикаций по теме диссертации.

В._И1йЕ,Е0к1___ГЛЫ>Е. пан краткий обзор основных типов периодичностей, проявляемых различными солнечными характеристиками, н прив"дена простейшая их классификация. Далее кратко рассмотри р-дются основные положения теории гидродинамических кол^бный Солнца, причем внимание концентрируется на тех ее .кпчктах, которые делают возможным применение этой теории для объяснении КПСА. Затем проводится краткий обзор имеющихся в литературе данных пп короткомериодичоским колебаниям солнечной г.чтивиосчи, а также тех г"пот>.'3. которые выдвигались для объяснения эгого явления. Наконец. в этой глпре сфсрмулиреигчш основные

задачи, которые необходимо решить для создания убедительной теоретической интерпретации КПСА.

ЕЮ-ОДЯ—ГЛАВА посвящена анализу периодичностей то'.их проявлений солнечной активности, как солнечные вспышки в линии Н-.-иГа, солнечные протонные вспышки и большие группы солнечных пчтен в интервале 19-22 солнечных циклоп. Исследована взаимная корреляция упомянутых - индексов солнечной активности, а также оптических вспышек разных баллов. Методом спектров мощности Рзлея получены спектры полных рядов исследуемых характеристик. а также их спектры за отдельные солнечные циклы. . Продемонстрировано, что спектр периодичностей солнечной активности является мультипериодичеекпм, и его структура варьируется в зависимости от исследуемого индекса и эпохи наблюдения, однако в этих вариациях существуют закономерности. Так, имеются периодичности, устойчиво проявляющиеся в разннх явлениях и в разные времена, а так».« тенденции в эволюции некоторых расщепленных пиков. Демонстрируется также качественное различие спектров мощности оптических ьспншек баллов 1 'и 3. Далее в этой главе анализируется фазовая когерентность "150-суточных" колебаний солнечной актипюсти и показывается, что существующие данные не позволяют, вопреки появившимся в литературе утверждениям, положительно ответить на вопрос о наличии фазовой когерентности утей периодичности в различных солнечных циклах, хотя и не отрицают возможности такой когерентности Изучены пространственные

характеристики проявлений. КПСА на примере " 150-суточной" периодичности. Показано, что "150-суточная" периодичность п максимуме 21-го цикл*, является долготно глобальной и не пожат поэтому быть следствием биений двух вручающихся гидродинамических структур. Далее исследуются спектры мощности полушэрнкх составляющих оптического рспыиечного индекса, а также поведение этого индекса в различных шпротных м.'.чсах в максимуме 21-го цикла и демонстрируется широтная глобальность периодичности в эту '.эпоху. Показано, что пространственная глобальность КПСА полет быть шпвана как глобальностью механизма этого явления. так и глубок«, расположенным локальным источником. информация о пространственной локализации которого размывается в процессе выноса возмущений к поверхности Солнца, и что такое ра^кывчнич могут аизывать альвеновские волны, распространяющиеся п расположенном под дном конвективной зоны реликтовом магнитном г.оле.

ТГ£иЬЛ..ГЛАЕД посвящена исследованию магнитогидрогин^мичеекпх

свойств внутренних областей Солнца. В ней, прежде всего, указаны проблемы физики Солнца, которые могут быть решены при принятии предположения о наличии реликтового магнитного поля в конвективно устойчивых областях Солнца. Далее проведено сравнение значений различны.-; фактоооо, способных ограничивать величину магнитного поля в эти:: областях, и показано, что при наличии дифференциального вращения основным ограничивающим фактором является сила Лоренца. Продем лстрировано, что сосуществование магнитного поля и дифференциального вращения во внутренних областях Солнца накладывает, жесткие ограничения на величину и (или) структуру магнитного поля в этих областях. Наконец, в этой главе предложен метод проверки предположений о структуре магнитного поля в лучистой зоне Солнца с использованием гелиосейсмологических данных о крутильных колебаниях в этой зоне.

:1Е!из£Е1АЯ_ГЛАЕД посвящена рассмотрению некоторых возможных механизмов короткопериодических колебаний солнечной активности. В начале главы проведен обзор предложенных различными авторами механизмов этого явления, и обсуждаются достоинства и недоста ки этих механизмов ■ в свете наблюдательных данных по КПСА. Далее рассмотрен один из наиболее подробно разработанных механизмов подобного рода - гипотеза Вольффа о короткопериодической солнечной активности как следствии биений вращающихся гидродинамических g- и r-структур. Проанализированы зоны локализации и свойства гипотетических вращающиеся^ ß-структур с точки зрения теории гидродинамических колебаний и продемонстрировано, что малая.ширина пиков нериодпчк jCTefi КПСА может бить объяснена лишь наличием сильного нелинейного взаимодействия михду отдельными g-модаии. Кроме того, показано, что.линейная теория гидродинамических мод предсказывает слабое непосредственное взаимодействие между г- и ¿-структурами, что не подтверждается наблюдательными данными. Из этого следует, что либо данная интерпретация КПСА не соответствует действительности, либо гипотетические вращающиеся в конвективной • зоне структуры создаются сильным нелинейным взаимодействием r-мод и крупномасштабной конвекции и даже качественно не могут быть описаны средствами линейной теории.

Б-ЗДКДЮДЕШИ сформулированы основные результаты выполненной работы:

1. Исследованы спектры мощности колебаний некоторых индексов солнечной активности за период 19-22 циклов. При этом отмочены

такие закономерности исследуемых спектров, как повторяемость некоторых периодичностей в разных индексах и в различные эпохи, а также тенденция в эволюции некоторых расщепленных пиков в сторону уменьшения этого расщепления. Показано, что существующие данные по солнечной активности не дают возможности ответить на вопрос о сохранении фазовой когерентности "150-суточной" периодичности в различных солнечных циклах. Продемонстрирована широтная и долготная глобальность "150-суточной" периодичности в максимуме 21-го цикла, причем долготная глобальность проверена, в частности, предложенным автором методом, слабо зависящим от конкретного механизма исследуемой периодичности.

2. Исследованы магнитогидродинамические характеристики внутренних слоев Солнца, которые могут быть важны для построения и уточнения моделей как солнечной цикличности, так и периодичностей солнечной активности с меньшими периодами. Показано, что следующее из наблюдательных данных сосуществование в конвективно устойчивых внутренних областях Солнца магнитного поля и дифференциального врацения накладывает жесткие ограничения на величину и (или) структуру магнитного поля в этих областях. Предложен метод проверки предположений о структуре магнитного поля в лучистой зоне Солнца на основании данных гелиосейсмологии. При этом, хотя современная точность гелиосейсмологических данных недостаточна для уверенных выводов, но повышение этой точности в перспективе может дать важные данные о величине и структуре магнитного поля во внутренних областях Солнца.

3. Исследованы возможные теоретические интерпретации КПСА и их соответствие наблюдательным данным. Произведен полуколичественный анализ модели, интерпретирующей КПСА как проявление биений гидродинамических вращающихся в лучистой и конвективной зонах Солнца структур. Этот анализ показывает, что линейная теория гидродинамических мод колебаний не в состоянии объяснить как наблюдаемую малу ширину соответствующих пиков в спектре КПСА, так и требующееся для согласования теории и эксперимента непосредственное взаимодействие локализованных в конвективной и лучистой зонах Солнца вращающихся гидродинамическиструктур. Таким образом, если КПСА действительно вызывается подобном механизмом, то соответствующие гидродинамические структуры не м >гут описываться линейной теорией с некоторыми нелинейными попр!вками, а должны рассматриваться с точки зрения существенно нелиней юй теории.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов К.Г. "Крутильные колебания лучистой зоны Солнца по данным гелиосейсмологии" - Соли.дачные, 1992, Н3„ с.80-64.

2. Ikhsanov R.N., Xvanov V.G. "Magnetic field and differential rotation on the radiative zone of the Sun" - Solar E'hys., 1992, v.l4.i, p.l-lU.

J. Иванов В.Г. "Myльтинериодические колебания солнечной нг-.гиитьой активности и их возможная связь с гидродинамическими колебаниями" - Астрон.жур., 1994, т.71, с.287-292.

'4. Иванов В.Г. "0 проблеме сохранения фазы колебаний солнечной активности с периодом около 150 суток" - В сб.:"Магнитные поля Солнца и гелиосейсмология", СПб, 1994, с.87-95.

Петербургкомстат