Крупномасштабные магнитные поля на Солнце тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

/ 3/К'--у

кУ I ч,; V/ « ^ V / \

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

На правах рукописи АНАНЬЕВ Игорь Валерьевич

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ НА СОЛНЦЕ: ВРАЩЕНИЕ И ЦИКЛИЧЕСКИЕ

ВАРИАЦИИ

01.03.03 - Гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук В.Н. Обридко (ИЗМИРАН)

Мосьсва - 1999 г.

Содержание.

Введение.............................................................................................4

Глава I..............................................................................................23

Сравнение вариаций полного потока солнечного излучения, потока радиоизлучения на 10.7 см, эквивалентной ширины линии Не I 10830 А и интенсивности глобального магнитного поля и их связь с крупномасштабной структурой солнечного магнитного поля..............................................................................23

1.1. Использованные данные......................................................24

1.2. Методы обработки................................................................25

1.3. Результаты.............................................................................26

1.3.2. Кросскорреляционные функции короткопериодических вариаций Б1, МЕГ, Я1 и Не /

и их изменения с фазой цикла................................................26

1.3.2. Индексы глобального магнитного поля......................31

1.3.3. Связь циклических кривых коэффициентов корреляции и сдвигов ОБ1, ПШ и ОНе1 с циклическими кривыми индексов 1(ВГ) и п...................................................40

1.4. Выводы..................................................................................41

Глава II.............................................................................................45

Сравнительный анализ спектров полного потока солнечного излучения и магнитного поля в диапазоне периодов 2-10 дней. 45

2.1.Введени е..................................................................................45

2.2.Совместный спектральный анализ СП и измерений

магнитного потока Солнца.........................................................50

2.3.Специфическое поведение максимумов на частотах 0.250.31 срс!.........................................................................................58

-32.4. Обсуждение результатов.......................................................60

2.4.1. Колебания с периодами 11 лет, 6лет и 2 года.............60

2.4.2. Колебания с периодами от года до 27 дней.................60

2.4.3.Колебания с периодами 27-9дней.................................61

2.4.4.Колебания с периодами 7-2 дня.....................................61

Глава III...........................................................................................64

Исследование дифференциального вращенияСолнца по синоптическим картам магнитных полей.....................................64

3.1. Введение................................................................................64

3.2. Описание результатов Фурье-анализа вращения

фотосферных магнитных полей..................................................76

3.3. Вторая гармоника вращения............................................98

3.4. Выводы.................................................................................106

Глава IV...........................................................................................110

Зонально-секторная структура крупномасштабных солнечных магнитных полей............................................................................110

4.1. Введение...............................................................................110

4.2. Экспериментальные данные и методы анализа.................111

4.3. Корреляционный анализ синоптических

магнитных карт..........................................................................113

4.4. Основные результаты...........................................................125

Заключение.....................................................................................130

Литература......................................................................................132

Введение

Уникальность Солнца как объекта исследований заключается не только в том, что оно является ближайшей к нам звездой и, соответственно, представляет собой прекрасную астрофизическую лабораторию для детального изучения явлений и процессов, протекающих на звёздах и в их ближайших окрестностях, так как вполне разумно предположить, что основные физические процессы для Солнца (рядовой звезды нашей Галактики, принадлежащей к тому же главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга - Ресселла) и звёзд являются общими и подчиняются одним и тем же законам.

Однако исследование всего многообразия солнечных явлений вызывает огромный интерес не только потому, что значение изучения Солнца для развития астрофизики трудно переоценить. Не приходится сомневаться в том колоссальном влиянии, которое Солнце оказывает на Землю. Изучение солнечно-земных связей выявило большое воздействие различных проявлений солнечной активности на различные геофизические процессы, их характер и протекание, поэтому изучение динамики и механизмов солнечной активности имеет первостепенное значение для понимания многих явлений в магнитосфере, атмосфере и биосфере Земли. Вследствие этого, рассмотрение различных проявлений солнечной активности, вопросы, связанные с их прогнозом и геофизическими последствиями привлекают особое внимание.

Тем не менее, несмотря на многочисленные исследования, посвященные активности Солнца, в настоящий момент мы способны лишь в общих чертах объяснить её динамику, а

физический смысл многих выявленных закономерностей по-прежнему не ясен. Но уже точно можно сказать, что солнечная активность так или иначе связана с магнитными полями, их генерацией, эволюцией, вариациями.

На Солнце наблюдается целая иерархия различных систем магнитных полей от мелкомасштабных (грануляция, супергрануляция, мезогрануляция) до крупномасштабных (систем гигантских и сверхгигантских ячеек). Эта иерархия своим происхождением, по-видимому, обязана многоярусной солнечной конвекции. Исследования различных проявлений солнечной активности позволили выявить их тесную связь с пространственно-временной организацией структур солнечных магнитных полей. При этом было установлено, что крупномасштабная структура солнечных магнитных полей, являющаяся комбинацией двух различных систем магнитных полей (системы замкнутых магнитных полей, основная часть магнитного потока которых сосредоточена в замкнутых магнитных структурах вблизи поверхности Солнца и не достигает поверхности источника, и системы открытых магнитных полей, магнитный поток которых достигает поверхности источника и потому уносится солнечным ветром), играет доминирующую роль в организации наиболее заметных и энергичных проявлений солнечной активности: мощных групп пятен, долгоживущих и протонно-вспышечных комплексов активности и связанных с ними продолжительных и протонных вспышек, волокон, корональных дыр, корональных выбросов массы. В то же время следует отметить, что не до конца изучена причинно-следственная связь различных проявлений солнечной активности с теми либо иными структурами солнечных магнитных полей, зачастую не ясны ни характер этой связи, ни механизмы и

степень воздействия составляющих магнитного поля Солнца на многие процессы, наблюдаемые на Солнце и в его окрестностях.

Актуальность проблемы. Изучение циклических вариаций крупномасштабного магнитного поля имеет большое значение для понимания структуры, происхождения и развития магнитных полей на Солнце, для разработки физических моделей, достаточно подробно описывающих эти процессы и с высокой степенью точности объясняющих результаты наблюдений, так как до сих пор остаются невыясненными многие детали механизмов генерации и эволюции магнитного поля в конвективной зоне и атмосфере Солнца. В свою очередь, сопоставление вариаций магнитного поля и его составляющих с изменениями различных проявлений солнечной активности позволяет лучше изучить их внутреннюю взаимосвязь, зависимость тех или иных событий на Солнце от сложившейся магнитной обстановки, что, в конечном итоге, приводит к более глубокому пониманию хода развития солнечной активности и к более точному её прогнозированию.

Временные изменения магнитного поля определяются многими факторами, поэтому не всегда можно однозначно интерпретировать результаты анализа. Кроме того, несмотря на наличие длинных рядов наблюдений магнитного поля, анализ их осложняется такими факторами, как нестационарность развития физических процессов, внутренняя неоднородность, нерегулярность определения, наличие порой значительных ошибок. Всё это приводит к тому, что многие характеристики циклических структур и вариаций магнитного поля недостаточно хорошо изучены и нуждаются в более детальном рассмотрении.

Анализу вращения Солнца посвящено большое количество публикаций, что вполне объяснимо, так как солнечное вращение

является одним из основных механизмов генерации магнитных полей на Солнце. В настоящий момент используются два способа определения характеристик солнечного вращения. Первый способ - определение скорости вращения с помощью непосредственных прямых наблюдений доплеровских сдвигов спектральных линий. Второй, более распространенный метод, -определение скорости вращения с помощью различных трассеров. Разновидностью этого метода является определение периодов вращения долгоживущих структур путем вычисления автокорреляционных функций на смещениях, близких к ожидаемому периоду вращения на данной гелиошироте (естественно ожидать, что максимум коэффициентов автокорреляции придётся на смещение, соответствующее периоду вращения исследуемых структур). Характеристики вращения сильно отличаются для различных наблюдаемых на Солнце объектов и зависят от очень многих показателей.

Многими авторами подчеркивалось, что характер вращения различных солнечных магнитных структур сильно меняется в зависимости от характерных размеров и времени жизни объектов, используемых в качестве трассеров. Так, вращение короткоживущих магнитных образований, сходное по своим характеристикам, как это следует из кросскорреляционного анализа ежедневных солнечных магнитограмм, с дифференциальным вращением фотосферной плазмы [1,2], носит совсем другой характер, нежели крупномасштабных магнитных полей, которые демонстрируют более твердотельное вращение [35], для которого свойственно наличие нескольких дискретных, выделенных, охватывающих большой диапазон широт, периодов [6,7]. Следует иметь в виду, что характеристики вращения зависят и от высоты в атмосфере Солнца, на которой

располагается обследуемый объект (трассер). При этом надо учитывать, что сам трассер может располагаться на одной высоте в атмосфере Солнца, а движение, управляющее трассером, может соответствовать совсем другому уровню в атмосфере (например, есть все основания полагать, что скорость вращения трассеров в короне определяется вращением не короны, а более глубоких слоев, где укоренены арки магнитных дуг, которые наблюдаются в короне). Также неоднократно обращалось внимание на то, что практически все законы на Солнце имеют зависимость от фазы цикла и никоим образом закономерности, установленные для одной фазы цикла, нельзя переносить на другую фазу. Это относится и к характеристикам вращения различных магнитных структур. До сих пор нет полной ясности и в вопросе, динамику каких глубинных слоев Солнца раскрывает характер вращения тех или иных структур магнитного поля. В связи с этим, исследования пространственного распределения скоростей вращения различных магнитных структур Солнца остаются одним из самых актуальных направлений гелиофизики.

Цель работы состоит в изучении циклических структур и вариаций крупномасштабного магнитного поля, характера их эволюции, вращения и взаимодействия, а также сопоставлении вариаций магнитного потока Солнца с изменениями некоторых индексов солнечной активности.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Выявление новых и уточнение известных свойств циклических вариаций крупномасштабного магнитного поля и их сопоставление с изменениями некоторых индексов солнечной активности.

-92. Попытка разделения временных и пространственных

закономерностей в вариациях полного потока солнечного

излучения и магнитного потока Солнца в диапазоне от 2 до 12

дней.

3. Изучение структуры и эволюции крупномасштабных магнитных полей в фотосфере Солнца на основе анализа их вращения и изменения его характеристик со временем.

Методы исследования. Для изучения вращения крупномасштабного магнитного поля Солнца, его циклических вариаций и их связи с изменениями некоторых индексов солнечной активности применялись различные методики статистического и спектрального видов анализа имевшихся данных наблюдений. В основном для спектрального анализа использовалось дискретное преобразование Фурье. Исследовались также спектральная плотность мощности и когерентность; для выявления зависимостей и уточнения характера связи между изучаемыми параметрами строились кросскорреляционные и автокорреляционные функции.

Научная новизна работы. Впервые проведён совместный корреляционный анализ вариаций некоторых индексов солнечной активности, как то полного потока солнечного излучения, потока солнечного радиоизлучения на 10.7 см, значения эквивалентной ширины солнечной абсорбционной линии нейтрального гелия 10830 А, с изменениями магнитного потока Солнца как звезды, а также с вариациями индексов глобального магнитного поля, характеризующих энергию и структуру общего магнитного поля Солнца. Впервые показано, что в диапазоне от 2 до 10 дней спектр вариаций солнечной постоянной и магнитного потока Солнца определяется не только гармониками периода вращения Солнца, но и структурой

активных областей, характерными временами жизни и изменений магнитных полей разных масштабов. Выполнены корреляционный анализ и исследование спектра Фурье дифференциального вращения солнечных крупномасштабных магнитных полей и циклических вариаций их зонально-секторной структуры.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что её результаты могут быть использованы в ходе дальнейшей разработки физических моделей генерации и эволюции солнечных магнитных полей и их влияния на различные проявления солнечной активности. Необходимо подчеркнуть, что данная работа выполнена по непосредственным результатам наблюдений, для статистического анализа применялись данные, на которые не накладываются никакие предварительные теоретические предположения, поэтому она может представлять особый интерес для апробации выводов последующих теоретических разработок. Кроме того, полученные закономерности вариаций ряда индексов солнечной активности относительно изменений магнитного поля могут служить эмпирической базой при построении методов краткосрочного прогнозирования солнечной активности.

Результаты определения параметров вращения фотосферных магнитных полей в свете последних достижений гелиосейсмологии могут быть использованы для поисков ответа на вопрос, характер вращения каких именно слоёв конвективной зоны отражают те или иные структуры магнитного поля.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Полный объём работы

составляет 140 страниц, включая 35 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 97 наименований на 9 страницах.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и конкретные задачи данного исследования, кратко излагается структура диссертации и перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изучается поведение вариаций некоторых индексов солнечной активности в сравнении с изменениями полного магнитного потока, измеренного для всего Солнца, индексом энергии глобального магнитного поля Солнца и индексом эффективного солнечного мультиполя, характеризующего вклад различных компонент

крупномасштабной структуры солнечного магнитного поля. В качестве исходных данных использованы ежедневные значения полного потока солнечного излучения (SI) по наблюдениям со спутников "Nimbus-7", SMM ACRIM, NASA ERBS, NOAA-9 и NOAA-IO, данные о потоке солнечного радиоизлучения на 10.7 см (Оттава, RI), значения эквивалентной ширины солнечной абсорбционной линии нейтрального гелия 10830 Ä (Не I, в миллиангстремах), усредненные по всему солнечному диску (NSO/Китт-Пик), величины напряженности магнитного поля (в гауссах) вдоль луча зрения (MFT), полученные с разрешением 1 угловая секунда на пиксель и усредненные по всему диску Солнца (NSO/Китт-Пик), а также индекс энергии глобального магнитного поля Солнца (1(ВГ)) и индекс эффективного

солнечного мультиполя (п), рассчитанные для каждого кэррингтоновского оборота в течение 1979-1992 гг. (две последние величины были введены в работах [8-10] и

характеризуют энергию и структуру общего магнитного поля Солнца). Исследуются кросскорреляционные функции короткопериодических вариаций вышеупомянутых параметров солнечного излучения и магнитного поля Солнца как звезды на интервале 1979-1992 гг. со сдвигом плюс-минус 40 дней и их поведение около нуля (плюс-минус 5-6 дней), а также их циклические вариации (короткопериодические вариации рассматриваемых величин были получены посредством вычитания из е