Структура и развитие малых солнечных вспышек тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО - ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 523. 98 520. 1 520. 24

БОРОВИК Александр Васильевич СТРУКТУРА Й РАЗВИТИЕ МАЛЫХ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК

01.03.03 Гелиофизика и физика солнечной системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата 'физико-математических наук

Иркутск 1996

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте солнечно-зсмнсй физики Ордена Ленина Сибирского Отделения РАН

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник

В. Г. Банин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Л. Н. Курочка

кандидат физико-математических наук

A.A. Головко

Ведущая организация - Астрономический институт АН Республики Узбекистан

Защита состоится "_" 1996 г. в__часов,

на заседании специализированного совета Д. 003.24.01 при Институте солнечно-земной физики СО РАН. по адресу: Иркутск-33, ул.Лермонтова, 126.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета г •

кандидат физико-математических наук > (>/ А.И.Галкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Среди множества явлений солнечной активности вспышки занимают особое место. Связано это прежде всего с тем, что вспышки могут зызывать изменения физических условий в межпланетном пространство, воздействовать на высокие оболочки магнитосферы Земли. Среди солнечных вспышек выделяется класс крупных вспышек -явлений относительно редких, но наиболее мощных по своим характеристикам. Естественно, что они вызывают наибольший интерес у астрофизиков. В настоящее время о таких вспышках имеется довольно полное представление, хотя природа и механизмы крупных вспышек пока еще до конца не выяснены. Наряду с крупными вспышками на Солнце встречается еще недостаточно изученный класс малых вспышек, так называемых субвспышек, площадь которых составляет менее 2 кв.гр. Среди вспышек это наиболее часто встречающееся событие на Солнце, что дает исследователю возможность привлекать большие статистические выборки, проводить отбор и классификацию событий и т.д.

Обращаясь к исследованию малых вспышек,мы проследуем цель понять развитие вспышсчного процесса в относительно простом ("чистом") ого проявлении.

Малые солнечные вспышки представляют интерес и по следующим причинам. Отличаясь существенно от крупных вспышек по площади, малые вспышки имеют ряд сходных с ними черт. Это относится прежде всего к излучению вспышек в радио и рентгеновском диапазонах, развитию тех и других вспышек вдоль линий раздела полярностей продольной составляющей магнитного поля, существования во вспышках тонкой и петельных структур и др. В этой связи исследование малых вспышек могло бы прояснить вопрос, пожит ли в основе вспышек разного балла единый физический процесс, или эти вспышки разные по своей природе.

Замечено также, что некоторым крупным вспышкам в активных областях(АО) предшествует повышенная частота появления малых пепышок. Однако полной ясности в этом вопросе еще нет.

Если такое поведение малых вспышек закономерно или подтверждается с большой вероятностью , то мы имели бы хороший инструмент для прогноза крупных солнечных вспышек.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение структуры и развития малых солнечных вспышек по наблюдениям в линии Н^.

Решались следующие задачи:

1. Исследование астроклиматических характеристик обсерватории по наблюдениям на хромосферном телескопе полного диска с целью выявления возможности проведения эффективных наблюдений структуры и развития малых солнечных вспышек.

2. Определение пространственных и временных параметров малых солнечных вспышек.

3. Исследование пространственного распределения малых вспышек по диску Солнца.

4. Изучение пространственного расположения малых вспышек ' относительно хромосферных структур: волокон, хромосферном сетки и др.

5. Определение пространственных и временных параметров малых вспышек з активных областях и комплексах активности. Исследование особенностей поведения малых вспышек в АО с крупными вспышками.

6. Исследование геоэффективности малых солнечных вспышек.

Научная новизна работы. В результате решения поставленных задач дана новая разработка роли и места малых солнечных вспышек в общей структуре солнечной активности.

На большом статистическом материале проведен подробный анализ параметров солнечных вспышек. Получены значения средних параметров вспышек, превышающие с 1.2 - 1.6 раза значения, полученные ранее другими авторами. Получены свидетельства, указывающие на дискретный характер структуры и развития малых солнечных вспышек.

Предложен метод обнаружения на Солнце пространственных локализаций малых вспышек. Введено понятие "Центр вспышечной активности"(ЦВА), дана подробная характеристика ЦЗА в зависимости от фазы развития активной области. Установлена

пространственная связь серий малых вспышек с центрами вспы-шечной активности.

Дано подробное описание активизаций хромосферных структур перед малыми солнечными вспышками. Показана связь предвспы-шечных хромосферных активизаций и структурных элементов малых вспышек с супергрануляционной структурой активных областей.

Обнаружены различие с пространственной локализации малых и крупных солнечных вспышек и тенденция спада активности малых вспышек в активней области за несколько часов до крупной вспышки.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что на большом статистическом материале подтверждены старые и получены новые факты, касающиеся структуры и развития малых солнечных вспышек. Они могут служить основой для построения физических моделей малых солнечных вспышек. Отдельные результаты исследования малых вспышек носят прогностический характер и могут быть использованы для прогноза хромосферной активности, крупных солнечных вспышек, геозф-фективных солнечных явлений.

Апробация работы. Результаты представлялись на ХХУП пленарном совещании СОБРАР? (Финляндия,1988), Консультативном совещании КАПГ по физике Солнца(Чехословакия, 1986), пленуме КАПГ по солнечно-земной физике(Самарканд,1989), Всесоюзной конференции по физике Солнца(Ашхабад,1990), совещаниях рабочей группы "Активное Солнце"(Москва, 1982, Звенигород, 1983, Пулково 1988,1990, Киев,1990), I Советско-китайском ссминаро по физике Солнца( Иркутск,1991 г), Научных сессиях ИСЗФ(Иркутск, 1994, 1995г), обсуждались на семинарах отдела физики Солнца ИСЗФ.

Автор выносит на защиту:

1. Статистические параметры малых солнечных вспышек.

2. Результаты исследования активизаций хромосферных структур перед малыми солнечными вспышками.

3. Связь малых вспышек с супергрануляционной структурой активных областей.

4. Характеристики областей преимущественной локзлиза-

ции малых солнечных вспышек.

5. Пространственные и временные параметры' актизности малых вспышек в активных областях с круги ■ - '.ч вспышками.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, заключения и списка литературы. Полный объем - 144 страницы, в том числе 50 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования малых солнечных вспышек, формулируется цель и решаемые задачи. Отмечаются положения , выносимые на защиту, новизна полученных результатов.

В первой главе рассмотрен вопрос использования астрономических инструментов Байкальской астрофизической обсерватории (БАО) для наблюдений тонкой структуры хромосферы и малых солнечных вспышек. Даны характеристики телескопов, представлены результаты исследования астроклиматических характеристик обсерватории по наблюдениям на хромосферном телескопе полного диска.

Вводится пятибальная. система определения качества изображения, в основу которой полонены наименьшие хромосферные детали, видимые на снимке. Для балла 5 размер наиболее мелких хромосфсрных деталей составляет 1"-2", для балла 4-2"-3", для балла 3- 3"- 4", для балла 2 больше 4" . Шаг между баллами специально выбран достаточно большим, чтобы можно было проводить быстрые и надежные оценки качества изображения. Показано, что за период 1980-1981 г. порядка 10% снимков (из 11582 обработанных фильтрограмм) имеют качество изображения близкое к расчетному пространственному разрешению телескопа( 1 угл.сек). 45/, снимков имеют отличное и хорошее качество.

За 1981 год суммарная продолжительность периодов хорошего и отличного качества в БАО составила около 30% от' общего

времени наблюдений. В отдельных случаях отличное качество изображения сохранялось в течение 1- 3 часов, отличное и хорошее в течение шести часов.

Особенностью астроклимата Байкальской астрофизической обсерватории является большой процент хороших и отличных изображений во второй половине дня с 13 часов местного времени.

Выводы, которые были сделаны по результатам исследован!;я астроклимата БАО свидетельствуют, что на солнечных инструментах обсерватории можно проводить наблюдения и решать задачи, связанные с исследованием тонкой структуры хромосферы, малых солнечных вспышек.

Вторая глава посвящена изучению пространственных и временных характеристик малых солнечных вспышек. На большом статистическом материале, включающем более 50 тысяч вспышек из каталогов международной Службы солнечных вспышек, для каждого балла вспышек получены распределения времени жизни вспышек, длительностей подъема и спада, площади. Дан анализ ошибок, влияющих на результаты статистической обработки при использовании данных многих обсерваторий. '

По данным группы американских станций, оснащенных автоматизированными системами фотометрической обработки вспышек и идентичными телескопами, получены значения средних длительностей малых солнечных вспышек, превышающие в 1.2-1.6 раза значения, полученные ранее другими авторами.

В распределении малых вспышек по длительности обнаружена 5 минутная дискретность. Дискретность в 3 м.д.д. обнаружена о распределении малых вспышек по площади. Это позволило предположить существование дискретной структуры малых вспышек и возможную связь определенной части малых испышек с волновыми процессами на Солнце.

В третьей главе рассматриваются свойства пространственных скоплений малых вспышек.Предложен метод обнаружения на Солнце пространственных локализаций малых вспышек. Введено понятие " Центр вспышечной активности"(ЦВА) - области на Солнце, где плотность малых вспышек превышает 0.5 гр"2 Дана подробная характеристика ЦВА в зависимости от фазы развития активной области. Рассмотрена связь ЦВА с магнитными Ноля-

ми, волокнами, с проявлениями различного рода хромосферной активности.

Показано, что примерно 60% активных областей имеют центры вспышечной активности.

К максимуму цикла солнечной активности число АО с ЦВА заметно растет.

Практически все ЦВА связаны с линиями раздела полярности продольной составляющей магнитного поля(основными и побочными). Характерным явлением для ЦВА являются серии вспышек. В отсутствие пятен области, где располагаются центры вспышечной активности, отличаются высокой хромосферной активностью, в частности, активизацией и исчезновением волокон. Согласно полученным результатам, центры вспышечной активности можно рассматривать как области на Солнце, где происходят выходы магнитных полей, в ряде случаев повторяющиеся в одном и том же месте через определенные периоды времени.

Обнаружена связь крупных солнечных зспышик с активными областями, где ЦВА возникают на одном и том же месте в течение нескольких солнечных оборотов. В этой связи ЦВА могут быть использованы в целях прогноза крупных солнечных вспышек и хромосферной активности на последующие солнечные обороты.

В главе 3 обсуждается вопрос геоэффектизности малых солнечных вспышек. Установлено, что за 1-4 суток геомагнитным бурям предшествует повышенная вспышечная активность ЦВА, сопровождающаяся высокой хромосферной активностью - возмущением и исчезновением волокон, выбросами.

Глава четвертая посвящена анализу поведения малых солнечных вспышек в группах пятен с крупными вспышками(балла 2 и выше). Исследование вспышечной активности в 27 группах пятен, где наблюдалась только одна крупная вспышка, показало, что существует слабая корреляция между ростом частоты и балла малых вспышек и возникновением в активной области крупной вспышки. Обнаружено различие в местах появления в актизной области малых и развития крупных солнечных вспышек и тенденция спада активности малых вспышек за несколько часов до крупной вспышки. Полученные результаты носят прогностический характер.

Пятая глава содержит результаты исследования структуры и развития малых солнечных вспышек по наблюдениям в линии НА. Рассмотрены активизации хромосферных структур перед малыми вспышками, пространственные и временные параметры активизаций, связь малых вспышек с хромосферной сеткой активных областей, тонкая структура малых вспышек.

Показана тесная пространственная связь малых солнечных вспышек и предвспышечных активизаций с границами ячеек хро-мосФерной сетки типа супергрануляции и мезогрануляции.

Установлено, что более 85% малых вспышек сопровождаются активизацией хромосфорных структур. Выделено два типа хро-мосферных возмущений, предшествующих малой вспышке: мелкомасштабные и крупномасштабные, протяженностью соответственно 10-60 тыс.км и 90-500 тыс.км. Дана подробная их характеристика. Показано, что крупномасштабное активизации начинаются примерно за 40-50 минут , мелкомасштабные за 10-20 минут до вспышки. Предложена схема развития процессов, предшествующих возникновению в АО малой вспышки.

Рассмотрена структура малых солнечных вспышек на диске и на лимбе. Установлено, что в первом случае малая вспышка состоит их структурных элементов типа вспышечный узел, очаг(плотное скопление узлов) и петля. Во втором случае в малых вспышках выделяются элементы г-па вспышечный конус, струя и петля. Проведен анализ и сопоставление элементов малой вспышки на диске и на лимбе, определены характерные их размеры.

В последнем разделе главы на примере результатов исследования развивающейся активной области N135 (нумерация бюллю-теня Солнечные данные), ставшей в 1884 г. предметом детального исследования наблюдательной программы КАПГ "Крупномасштабные поля и рождение активных областей", показана состоятельность основных выводов, изложенных в диссертации.

В заключении излагаются основные результаты исследования малых солнечных вспышек, обсуждается место и роль малых вспышек в общей структуре солнечной активности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Подтверждена тенденция роста средних параметров вспышек с баллом для классификации оптических вспышек 1966 года.

2. Показано, что с увеличением балла происходит рассеяние временных параметров вспышек и одновременный спад высот максимумов распределений. При этом спектр значений временных параметров крупных вспышек в значительной мере перекрывается с областью значений малых вспышек.

3. Установлено, что параметры малых вспышек, в отличие от параметров вспышек более высоких баллов, распределены на довольно ограниченном интервале. Получены средние значения продолжительностей малых вспышек, превышающие п 1.2 - 1.6 раза полученные ранее другими авторами. Обнаружена дискретность в распределении малых вспышек по длительности и площади.

4. Показано, что малые вспышки имеют тенденцию как к временной, так и пространственной группировки. Предложен метод обнаружения на Солнце пространственных группировок малых вспышек. Введено понятие центра вспышечной активности.

Установлено, что ЦВА присутствуют на разных фазах развития активной области. Наиболее мощные центры вспышечной активности встречаются в долгоживущих группах пятен. С центрами тесным образом 'связаны серии малых вспышек. ЦВА лежат на трассах хромосферных волокон, на ЛРП(основных и побочных) и могут существовать на том же месте достаточно длительное время (порядка 1-10 оборотов) . Существует тесная пространственная связь многих хромосферных активизаций в активных областях, а также внр групп пятен с областями, где в разное время наблюдались ЦВА.

б. Установлено, что примерно 4ОХ активизаций хромосферных структур в АО сопровождаются малыми вспышками, вне АО этот процент существенно ниже. По длительности активизаций ближе всего друг к другу лежат активизации типа

AFS и ADF. SDF и ADF по характеру распределения длительностей заметно отличаются.

Наиболее "благоприятными" для возникновения малых вспышек являются активизации типа DSD, затем идут AFS, ADF и SDF. Выделено два вида активизаций, сопровождающие малые вспышки- мелкомасштабные(протяженностью 10-60 тыс.км) и крупномасштабные(90-500 тыс.км). Удаленность . от вспышки мелкомасштабных активизаций составляет 1-2 диаметра супергранулы. Возмущению подвержены главным образом существовавшие до вспышки структуры. По времени мелкомасштабные активизации запаздывают относительно крупномасштабных примерно на 20-40 минут.

6. Установлена тесная пространственная связь малых вспышек с границами ячеек хромосферной сетки - с ячейками типа супергранулы и мезогранулы.

7. Обнаружено, что крупные вспышки возникают в тех активных областях, где центры вспышечной активности малых вспышек в течение нескольких солнечных оборотов сохра- • няют устойчивое положение. Вместе с тем начинаются и развиваются крупные вспышки на тех участках активной области, где малые вспышки почти не возникают.

8. Показана слабая оправдываемость долгосрочного прогноза крупных вспышек, основанного на тенденции роста частоты и балла малых п-спышек в АО .

Вместе с тем установлено, что в течение нескольких часов до крупной вспышки активность малых вспышек падает, прекращаются серии вспышек.

9. Установлена тенденция роста активности малых вспышек в АО в виде серий вспышек за 1-4 дня до геомагнитных бурь. Малые вспышки при этом сопровождаются геоэффективными по своей природе событиями, такими, как активизации и исчезновения волокон. Серии малых вспышек в этих случаях могут служить в качестве индикаторов хромосферной активности, приводящей к геомагнитным бурям.

Результаты исследования малых солнечных вспышек, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 21 научных статьях. Основные результаты приведены в следующих работах:

1. Банин В. Г,, Боровик А. В,, Трифонов В. Д., Язов С, А. Об астроклимате Байкальской астрофизической обсерватории, - Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1982, вып. 60, с. 28-34.

2. Банин В.Г., Боровик А. В., Язев С. А. Большие солнечные вспышки 13 и 16 мая 1931 года,- Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1Э83, вып. 65, с. 151-164.

3. Боровик А.В. Малые солнечные вспышки в комплексе активности. - Исследования пс геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1985, вып. 73, с. 28-37.

4. Боровик А.В. Малые солнечные вспышки в активной области N135 СД 23 июня 1984г. - Астрономический циркуляр,

1985, N 1413, с. 2-4.

5. ь. С. Саттаров, М.Б.Огирь, А.Б.Делоне, А. В. Боровик. 0 развитии и вспышечной активности группы солнечных пятен СД N135 (1984). - Астрономический циркуляр, 1985, N 1413, с. 1-2.

6. V.G.Banin, A.V. Borovik, S. A.Yazov. COMPLEX OF ACTIVITY AND LARGE SOLAR FLARES. - CONTRIBUTIONS OF THE ASTRONOMICAL OBSERVATORY SKALNATE PLESO, 1986, v. 15, pt. i. p. 289-296.

7. Боровик А. В., Григорьев В. M., Каргаполова H. H. и др. Эволюция актипной области СД N135 в июне 1984г. и ее связь с крупномасштабными полями на Солнце. - CONTRIBUTION OF THE ASTRONOMICAL 0BSERVÂT0RY SKALNATE PLESO,

1986, v. 15, pt. 1, p. 211-242.

8. Borovik A.V. The manifestation of supergranulation structures of active regions during solar flares. Advances in Space Research, 1988, v. 8, N 11, pp (11)141- (11)144.

9. Боровик А. В. Малые солнечные вспышки и супергрануляционная структура активных областей. - Кинематика и физика небесных тел, 1989, т. 5, N 3, с. 55.

10. Боровик А. В. Малые солнечные вспышки и предвспышечные активизации хромосферных структур. - Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1989, вып.

87, С. 154-166.

11. Borovik А. V. Solar flares and the supergranulathion structure of active region. - Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1990, вып. 91, с. 63-73.

12. Maksimov V. Р., Zubkova G. N., Borovik A.V. An investigation of the subflare-microwave burst connection. Astronomische Nachrichten, 1990, v. 311, N 5, p. 299-303.

13. Боровик A.B., Боровик Л.В., Пархомов В.А. Центры вспы-шечной активности и их связь с геомагнитной активностью. - Геомагнетизм и аэрономия, 1991, т. 31, с. 187-190.

14. Боровик A.B. Статистические параметры и элементы тонкой структуры малых солнечных вспышек. - Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1994, вып. 102, с. 161-177.

15. Боровик A.B. Центры вспышечной активности групп сол- • нечных пятен. - Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1994, вып. 102, с. 133-152.

16. Боровик A.B. Пространственно-временные характеристики малых солнечных вспышек в активных областях с крупными вспышками. - Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1994, вып. 102, с. 118-133.

Из 16 научных работ 7 выполнено в соавторстве. Автором самостоятельно выполнены исследования статистических параметров малых вспышск[14], изучены особенности развития малых вспышек в комплексе активности в мае 1981 года и активной области СД N135 в июне 1984 года[3, 4]. Исследована связь малых вспышек с хромосферными структурами, определены характеристики предвспышечных активизаций[8-11]. Автором самостоятельно разработан метод выделения на Солнце очагов повышенной вспышечной активности(центров вспышечной активности) и проведен анализ их параметров[15]. Автором самостоятельно изучен вопрос пространственной и временной зависимости между появлением 'в АО крупной и малых солнечных

- и -

вспышек[16].

В работах [1,2, Ь-7,12,13] автор выполнял определенную часть исследования, в том числе обсуждение и интерпретацию полученных результатов.

В диссертационной работе автором использовались наблюдательные материалы, полученные им и его коллегами по работе на хромосферном телескопе полного диска, а также фильмы вспышек, полученные им на хромосферном телескопе крупномасштабного изображения.

Отпечатано на множительном уч-ке UC3sß. Зак.№ 166 от ¿9.02.96.Объём 14 м./п. стр. Тир 100 экз.