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

рт О

ъ 'о а

м\? №

\ А ЛИГ ^

РОССИПСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

ИВАНОВ Владимир Геннадьевич

УДК 523.32 УДК 523.00

КОРОТКОПЕРИОДИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ИХ ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и Физика Солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1895

Работа выполнена в Главной астрономической обсерватории Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор Физико-математических наук Р.Н.Ихсанов.

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

доктор физико-математических наук В.А.Дергачев.

Ведущая организация: Институт солнечно-земной физики СО РАН.

Защита диссертации состоится "ЛВ " 1995 г.

в ^^ час. .3О мин. на заседании специализированного совета (иифр К 002.92.01)- при Главной астрономической обсерватории РАН по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д.85, кор.1

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

Автореферат разослан -21- иЬиа^ЩА

1995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета I л Л

кандидат физ.-мат. наук /У Ю. А .Наговицын

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ДКХ£МЬШ1ТЬЛЕНЦ ■

Различные периодические процессы, происходящие на Солнце, давно уже привлекают пристальное внимание исследователей. Исторически первым из таких процессов был открытый еще в середине прошлого века 11-летний цикл солнечной ак.тивности. Ü настоящее Бремя установлено, что происходящие на Солнце процессы проявляют периодичности в очень широком диапазоне - от нескольких минут до сотен и более лет. Изучение таких периодичностей чрезвычайно вахно для понимания Физики происходящих на Солнце явлений. Так, недавно возникыая отрасль гелиофизики - гелиосейсмология - 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, что солнечная активность на масштабах времен, меньших 11-летнего солнечного цикла, но больыих, чем связанные с долготной неоднородностью солнечных явлений оборотные периодичности, также проявляет периодические закономерности. В данной работе внимание в основном концентрируется на диапазоне периодов солнечной активности от 30 до 200 суток. Ниже мы будем обозначать подобное явление термином "короткопериодические колебания солнечной активности" (или, короче, "короткопериодическая солнечная активность", КПСА).

Одна из причин, по которым данное явление обратило на себя внимание исследователей столь поздно, состоит в том, что все существенные характеристики этого, процесса - такие, как амплитуда, фаза и точное- значение периодов - не являются устойчивыми, а варьируются, поэтому, строго говоря, эти колебания следует обозначать термином "кваэипериодические", а не "периодические". Так, например, амплитуда КПСА может меняться от полного исчезновения до значений, превышающих амплитуду 11-летнего цикла. Последняя ситуация имела место с колебаниями солнечной активности периода около 150 суток, чрезвычайно мощно проявивших себя в максимуме 21-го цикла, что привлекло к этой периодичности особое внимание исследователей. Были обнаружены и другие достаточно ярко выраженные периодичности солнечной активности с периодами от нескольких месяцев до нескольких лет, и, тем самым, показано, что

спиктр КПСА является мультипериодическим. Изучение подобного явления потребовало исследования разнообразных солнечных характеристик, а такхе применения к ним нетривиальных методов числовой обработки, что стало возможным лишь в последние десятилетия о связи с широким распространением вычислительной техники.

Несмотря на наличие обширного наблюдательного материала по КПСА, убедительные теоретические интерпретации этого явления пока отсутствуют. Между тем задача поиска механизма этих короткопериодических колебаний чрезвычайно актуальна для физики Солнца. Прежде всего, объяснение короткопериодической солнечной активности углубило бы наае 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 гелносейсмологии 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 панной работ» является исследование короткопериодических колебаний солнечной активности и ее возможных механизмов. В соответствии с Э1 ж 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.

- ь -

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

НАУЧНАЯ нсжцзна раг>ОТЦ заключается в следующем:

1. Исследован ряд характеристик КПСА - таких, как соотношение между периодичностями, проявляемыми различными индексами солнечной активности и временная эволюция амплитуд и фаз этих периодичностей. В частности, показано, что теоретически достижимая точность определения фазы "150-суточной" периодичности в существующих данных по солнечной активности не дает возможности достоверно' установить Фазовую когерентность этой периодичности в разных солнечных циклах.

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

3. Предложен новый метод проверки гипотез о структуре магнитного поля в лучистой зоне Солнца на основании данных о внутреннем дифференциальном вращении Солнца.

4. Проведено теоретическое исследование модели, интерпретирующей КПСА как проявление биений колебательных гидродинамических структур. При этом продемонстрировано, что линейная теория гидродинамических мод колебаний не в состоянии объяснить некоторых важных аспектов КПСА.

5. Впервые показано, что области локализации вращающихся в лучистой и конвективной зонах Солнца гидродинамических структур перекрываются слабо, ' и непосредственное взаимодействие этих структур не может вызвать наблюдаемой модности соответствующих периодичностей КПСА.

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

1. Результаты исследования короткопериодических колебаний по индексам солнечной активности за период 19-22 солнечного циклов. Установление глобального характера "150-суточной" периодичности как по широте, так и по долготе.

2. Результаты теоретического анализа магнитогидродинамических условий в конвективно устойчивых внутренних областях Солнца.

3. Метод проверки гипотез о структуре магнитного поля в лучистой зоне Солнца па основании данных о внутреннем дифференциальном вращении Солнца.

4. Результаты теоретического исследования свойств g- и г-мод гидродинамических колебаний Солнца в применении к анализу модели, интерпретирующей КПСА как проявление биений вращающихся гидродинамических структур.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на научных семинарах Пулковской обсерватории.

По теме диссертации автором выполнено 4 работы. Из них работы [1,3,4] выполнены без соавторов, а в работе [2], написанной в соавторстве, автор участвовал как в постановке, так и в реаении поставленной задачи.

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

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

Р первой ГЛАВЕ дан краткий обзор основных типов пернодичностей, проявляемых различными солнечными характеристиками.

и приведена простейшая их классификация. Далее кратко рассматриваются основные положения теории гидродинамических колебаний Солнца, причем снимание концентрируется на тех ее аспектах, которые делают возможным применение этой теории для объяснения КПСЛ. Затеи проводится краткий обзор имеющихся п литературе данных по короткопериодическим колебаниям солнечной активности, а также тех гипотез, которие выдвигались для объяснения этого явления. Наконец, а этой главе сформулированы основные задачи, которые необходимо решить для создания убедительной теоретической интерпретации КПСЛ.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена анализу периодичностей таких проявлений солнечной активности, как солнечные вспышки в линии Н-аНа, солнечные протонные вспышки и большие группы солнечных пятен в интервале 19-22 солнечных циклов. Исследована взаимная корреляция упомянутых индексов солнечной активности, а также оптических вспышек разных баллов. Методом спектров мощности Рэлгя получены спектры полных рядов исследуемых характеристик, а также их спектры за отдельные солнечные цикли. Продемонстрировано, что спектр периодичностей солнечной активности является мультипериодическим, и его структура варьируется в зависимости от исследуемого индекса И эпохи наблюдения, однако в этих вариациях существуют закономерности. Так, имеются периодичности, устойчиво проявляющиеся в разных явлениях и в разные времена, а также тенденции в эволюции некоторых расщепленных пиков. Демонстрируется также качественное различие спектров мощности оптических вегшиек баллов 1 и 3. Далее в этой главе, анализируется фазовая когерентность " 150-суточных" колебаний солнечной активности и показывается, что существующие данные не позволяют, вопреки появившимся в литературе утверждениям, положительно ответить на вопрос о наличии Фазовой когерентности этой периодичности в различных солнечных циклах, хотя и не отрицают возможности такой когерентности. Изучены пространственные характеристики проявлений КПСЛ па примере "150-суточноЛ" периодичности. Показано, что "150-суточнал" периодичность в максимуме 21-го цикла проявляется не в каких-либо выделенных долготных интервалах, а во всем диапазоне долгот - является "долготио глобальной", что существенно затрудняет ее интерпретации как следствия биений двух вращающихся гидродинамических структур. Далее исследуются спектры мощности полушарних составляющих оптического вспншечного индекса, а также поведение этого индекса в

различных широтных поясах в максимуме 21-го цикла и демонстрируется, что указанная периодичность в эту эпоху проявляется во всем диапазоне широт "королевской зоны" - т.е. является "глобальной по широте". Отмечается, что пространственная глобальность КПСА как по широте, так и по долготе может быть вызвана как глобальный механизмом, не имеющим выраженной пространственной концентрации, так и глубоко расположенным локальным источником, информация о пространственных координатах которого размывается в процессе выноса возмущений к поверхности Солнца, и что такое размывание могут вызывать альвеновские волны, распространяющиеся в расположенном под дном конвективной зоны реликтовом магнитном поле.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА . посвящена исследованию магнитогидродинамических 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 различных Факторов, способных ограничивать величину магнитного поля в этих областях, и показано, что при наличии дифференциального вращения основным ограничивающим фактором является сила Лоренца. Продемонстрировано, 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 данных о дифференциальном вращении внутренних слоев Солнца, и данным методом проверена простейшая гипотеза о той, что полоидалъное магнитное поле в этих слоях Солнца расположено вблизи сферических оболочек.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена рассмотрению некоторых возможных механизмов короткопериодических колебаний солнечной активности. В начале главы проведен обзор предложенных различными авторами механизмов этого явления, и обсуждаются достоинства и недостатки 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 й- и г-структур. Проанализированы зоны локализации и свойства гипотетических вращающихся я-структур с точки зрения теории

гидродинамических колебаний «.продемонстрировано, что малая сирина пиков периодичностей КПСА может быть объяснена лишь наличием сильного нелинейного взаимодействия между отдельными е-модами. Кроме того, показано, что линейная теория гидродинамических мод предсказывает слабое непосредственное взаимодействие между г- и Й-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 г-мод и крупномасштабной конвекции и даже качественно не могут быть-описаны средствами линейной теории.

В_ЗАКЛЕН£ШШ сформулированы основные результаты выполненной работы:

1. Исследованы спектры мощности колебаний некоторых индексов солнечной активности за период 19-22 циклов. При этом отмечены 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 н периодичностей солнечной активности с меньшими периодами. Показано, что следувщее из наблюдательных данных сосуществование в конвективно устойчивых внутренних областях Солнца магнитного поля и дифференциального вращения 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 н структуре магнитного поля во внутренних

областях Солнца.

3. Исследованы возможные теоретические интерпретации КПСА и их соответствие наблюдательным данным. Произведен полуколичественной анализ модели, интерпретирующей КПСА как проявление биений гидродинамических вращающихся в лучистой и конвективной зонах Солнца структур. Этот анализ показывает, что линейная' теория гидродинамических иод колебаний не в состоянии объяснить как наблюдаемую малую ширину соответствующих пиков в спектре КПСА, так и требующееся для согласования теории и эксперимента непосредственное взаимодействие локализованных в конвективной и лучистой зонах Солнца вращающихся гидродинамических структур. Таким образом, если КПСА действительно вызывается подобным механизмом, то соответствующие гидродинамические структуры не могут описываться линейной теорией с некоторыми нелинейными поправками, а должны-рассматриваться с точки зрения существенно нелинейной теории.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Иванов В.Г. "Крутильные колебания лучистой зоны Солнца по данным гелиосейсмологии" - Солн.данные, 19Q2, 113, c.GO-84.

2. Ikhsanov R.N., Ivanov V.G. "Magnetic field and differential rotation on the radiative zone of the Sun" - Solar Phys., 1992, v.142, p.1-10.

3. Иванов В.Г. "Мультипериодические колебания солнечной магнитной активности и их возможная связь с гидродинамическими колебаниями" - Астрон.хур., 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.43-51.

ПЕТЕРБ ЯТКОМСТАТ ЗА* К J i О

ТИРА* 2 Р