Вариации магнитного поля солнечных пятен на разных временных шкалах тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Рыбак Алексей Леонидович

ВАРИАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН НА РАЗНЫХ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛАХ

01.03.03 - физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

9 ОКТ 2014

Санкт-Петербург - 2014

005553254

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук НАГОВИЦЫН Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

ОБРИДКО Владимир Нухимович, доктор физико-математических наук,

заведующий гелиофизической лабораторией Института земного магнетизма и распространения радиоволн Российской академии наук

МОРДВИНОВ Александр Вениаминович, доктор физико-математических наук,

заведующий Лабораторией солнечной активности Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук

Защита диссертации состоится 31 октября 2014 г. в 11 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук (ГАО РАН) по адресу:

196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, дом 65 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН Автореферат разослан 3 0 сентября 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Милецкий Евгений Викторович

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Солнечная активность - пространственно-временные изменения магнитного поля Солнца. Из всех солнечных образований наибольшими магнитными полями обладают пятна. Они же являются первыми обнаруженными феноменами активности. Наблюдения пятнообразования на Солнце начались со времён изобретения Галилеем телескопа четыре столетия тому назад, но только в девятнадцатом веке, благодаря работам Швабе и Вольфа, был установлен факт цикличности появления пятен на солнечной поверхности. Систематизация наблюдений за солнечными пятнами позволила Шпереру [1], Маундеру [2], Хейлу [3], Вальдмайеру [4], Гневышеву [5] и др. вывести основные статистические законы пятнообразования.

К настоящему времени накоплен обширный массив наблюдений магнитного поля солнечных пятен, предложены теоретические модели самого феномена солнечного пятна. Однако многие вопросы остаются спорными.

Так, мы не знаем, как изменяются магнитные поля пятен на длительных временах, прежде всего, с 11-летним циклом активности, а также на вековой шкале. Недавно по итогам наблюдений 23-го цикла пятнообразования Пэнн и Ливингстон [6] выдвинули предположение о вековом уменьшении магнитного поля и постепенном исчезновении пятен с поверхности Солнца. Это вызвало широкую дискуссию, и до сих пор консенсус не найден.

В 60-х - 80-х годах прошлого века было сообщено о т.н. «долгопериодических» колебаниях пятен с периодами несколько десятков минут (М.М.Кобрин [7], С.И.Гопасюк [8] и др.). Несмотря на обширный список работ по этой проблеме, появившихся в дальнейшем, мы до сих пор не знаем не только деталей этого явления, и даже сам факт его существования оспаривается некоторыми исследователями.

За прошедшие десятилетия на поверхности Земли были развёрнуты национальные сети с целью непрерывного мониторинга за пятнообразованием и сопутствующими процессами на поверхности Солнца. По результатам деятельности наблюдательных сетей созданы базы данных, включающие в себя ежедневные сводки состояния солнечной. В нашей стране более сорока лет проводилась программа «Служба Солнца СССР», в ходе которой, в частности, измерялись местоположения групп солнечных пятен на солнечном диске, размеры и напряжённость магнитного поля самих пятен. К настоящему времени, в связи с развалом СССР, практически только Горная станция ГАО РАН и КрАО продолжают эту программу. Тем не менее, накоплен уникальный ресурс, в частности, ежедневных значений магнитного поля пятен, который призван быть использованным для решения задач о длительных изменениях характеристик пятен.

С началом космического этапа в наблюдениях солнечного пятнообразования были разрешены ряд проблем, такие, как атмосферные помехи, ограниченность светового дня, различие в инструментальных измерениях на разных пунктах наземной сети наблюдений. Такие космические аппараты, как SOHO, Trace, Hinode, SDO, позволяют отслеживать процессы на Солнце с высоким временным разрешением, на больших, сравнимых с продолжительностью цикла, интервалах времени. Но имеется и ряд инструментальных проблем. Так, полученные на космических аппаратах изображения деталей на диске Солнца представлены в виде пиксельных матриц. Пикселизация, в частности, изображений пятен и магнитограмм при сравнительно невысоком пространственном разрешении (порядка нескольких секунд на пиксель) накладывает определённые ограничения на результаты анализа этих изображений. Прежде всего, полученные временные ряды оказываются модулированными пикселизацией изображений. Чтобы успешно проанализировать, например, квазипериодические колебания солнечных пятен, необходимо учесть все наблюдательные артефакты, связанные с пикселизацией исходных изображений.

Обобщая сказанное выше, представляется, что актуальными для нас являются следующие задачи:

• рассмотрение данных об изменениях магнитных полей пятен на временной шкале десятки лет.

• создание и оптимизация новых методов автоматической обработки большого объёма пикселизированных изображений;

• выбор адекватных математических методов для аппроксимации пикселизированных изображений;

• анализ результатов обработки непрерывных и продолжительных наблюдений;

• учёт и устранение артефактов, связанных с пикселизацией изображений;

• обобщение полученных наблюдательных фактов и сравнение с результатами наземных наблюдений.

Цели исследований

Целями данной работы являются:

1. получение вариации напряжённости магнитного поля на разных временных шкалах по наземным и космическим наблюдениям;

2. выявление колебаний абсолютных и относительных горизонтальных координат солнечных пятен по материалам КА БОНО М01;

3. диагностика и устранение (контроль) артефактов, связанных с матричной пикселизацией магнитограмм, полученных на данном космическом аппарате.

Для достижения обозначенных целей были решены следующие задачи:

1. В единую систему измерений сведены рутинные данные Службы Солнца СССР (7 обсерваторий) о центральных напряженностях солнечных пятен в 1954-2012 гг.

2. Разработаны методы автоматического сканирования последовательной серии магнитограмм КА БОНО МБ1 для получения ежеминутных измерений напряжённости магнитного поля солнечных пятен на интервалах времени 9-11 суток.

3. Определены максимальные напряжённости поля на двумерных магнитных изображениях солнечных пятен путём аппроксимации поля эллиптическим параболоидом, а также уточнены гелиографические координаты пятен по результатам такой аппроксимации.

4. Построены временные ряды ежеминутных измерений напряжённости поля и горизонтальных гелиографических координат солнечных пятен. Получены временные и частотные характеристики этих рядов при помощи корреляционного периодограммного анализа и метода вейвлет-фильтрации.

5. Выявлены зависимости между вариациями напряжённости магнитного поля в пятне и колебаниями горизонтальных координат пятна на интервалах времени десятки-сотни минут и десятки-сотни часов.

6. Разработаны методы контроля и коррекции артефактов колебаний пятен, связанных с пикселизацией магнитограмм. Оценены периоды и амплитуды артефактных колебаний, они сопоставлены с реальными вариациями напряжённости поля и горизонтальных координат солнечных пятен.

Новизна полученных результатов

1. Впервые проведен синтез наблюдений магнитных полей солнечных пятен, произведенных на 7 обсерваториях в рамках и в продолжение программы «Служба Солнца СССР»

2. Разработан и реализован новый алгоритм автоматического сканирования участков магнитограмм БОНО МЕ)1 с изображением солнечных пятен со скважностью 1 минута и продолжительностью наблюдений 9-11 суток.

3. По результатам сканирования магнитограмм подготовлена база данных непрерывных ежеминутных значений пространственных и магнитных характеристик солнечных пятен. База данных впервые включает в себя всю необходимую информацию для уточнения максимальной напряжённости поля и положения пятен на солнечной поверхности в данный момент времени.

4. Предложены новые математические алгоритмы аппроксимации поля пятен с целью уточнения максимальной напряжённости поля и положения пятен на солнечной поверхности в данный момент времени.

5. Разработаны новые методы контроля и коррекции артефактов, связанных с пикселизацией магнитограмм SOHO MDI. Выявленные артефакты сопоставлены с временными и частотными характеристиками квазипериодических колебаний солнечных пятен.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основе наблюдений семи обсерваторий Службы Солнца СССР построен полувековой ряд среднемесячных значений магнитных полей крупных пятен. Впервые надежно установлено, что средние магнитные поля пятен изменяются с 11-летним циклом в пределах 20-25% величины. Таким образом, с циклом изменяется не только число носителей активности, но и их физические свойства, что должно найти объяснение в рамках динамо-теории.

2. Разработаны алгоритмы обработки магнитограмм SOHO MDI и создана база данных магнитных полей и гелиографических координат 72 пятен, наблюдавшихся с временным разрешением 1 минута не менее 9-11 дней. Показано, что космические данные не противоречат заключению наземных наблюдений о существовании сверхдолгопериодических колебаний солнечных пятен с периодом около 8 суток.

3. По результатам анализа магнитограмм БОНО М01 установлено, что долгопериодические вариации магнитного поля пятен могут быть связаны как с относительными, так и абсолютными модами их горизонтальных колебаний. Выявлены артефакты, возникающие из-за пикселизации магнитограмм БОНО МБ1, предложен метод их контроля. Построена экспериментальная зависимость частоты долгопериодических колебаний магнитного поля пятна от его напряженности для периодов 15<Т<500 мин.

Апробация работы

Результаты диссертации рассматривались на семинарах ГАО РАН, а также представлялись на конференциях:

1. «Солнечная и солнечно-земная физика - 2010», Санкт-Петербург, Пулково, 3-9 октября 2010.

2. Зимняя астрономическая школа «Физика космоса», Екатеринбург, Коуровка, 31 января - 4 февраля 2011.

3. «Солнечная и солнечно-земная физика - 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3-7 октября 2011.

4. III Всероссийская астрономическая конференция «Небо и Земля», 22-24 ноября 2011.

5. Зимняя астрономическая школа «Физика космоса», Екатеринбург, Коуровка, 30 января - 3 февраля 2012.

6. «Солнечная и солнечно-земная физика - 2012», Санкт-Петербург, Пулково, 24-28 сентября 2012.

7. Всероссийская астрономическая конференция «Многоликая Вселенная», ВАК-2013, Санкт-Петербург, 23-27 сентября 2013 (симпозиум № 3 «Солнечная и солнечно-земная физика-2013»).

8. 8-я всероссийская конференция «Физика плазмы в Солнечной системе», Москва, ИКИ РАН, 4 - 8 февраля 2014 г.

8

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 97 страниц, в том числе 31 рисунок и 4 таблицы. Список литературы включает 105 наименований.

Содержание диссертации.

Во Введении обоснована актуальность темы, определены основные цели диссертации, приведены основные методы, применяемые в диссертации, сформулированы основные положения, вынесенные на защиту, кратко описано содержание работы.

Первая глава «Долговременные вариации средних физических свойств солнечных пятен» посвящена проблеме изменения характеристик солнечных пятен на интервалах времени десятки лет. Изменения числа солнечных пятен цикличны во времени, на сегодня нам известны различные циклы пятнообразования — от 11 лет до нескольких столетий. Но пока точно не установлено, варьируют ли со временем сами характеристики пятен. Кратко описана суть проблемы Пэнна-Ливингстона и предложена её альтернативная интерпретация.

В пункте 1.1 «Введение» изложена суть проблемы Ливингстона-Пэнна о постепенном уменьшении средней напряжённости магнитного поля солнечных пятен, а также дана её интерпретация различными авторами.

В пункте 1.2 «Средняя напряжённость магнитного поля солнечных пятен по данным Службы Солнца СССР» изложен метод построения композитного ряда напряжённости магнитного поля солнечных пятен по сорокалетним данным семи обсерваторий СССР, составлявшими единую Службу Солнца нашей страны. В подпункте 1.2.1 описана наблюдательная сеть, приводится

список участников Службы Солнца. В подпункте 1.2.2 дана процедура построения композитного ряда напряжённости поля солнечных пятен.

В пункте 1.3 «Классификационный индекс Малдэ» рассматривается параметр, численно описывающий развитие солнечных пятен на основе цюрихской классификации. В подпункте 1.3.1 кратко изложена суть цюрихской классификация солнечных пятен. В подпункте 1.3.2 цюрихской классификации сопоставляется индекс Малдэ. В подпункте 1.3.3 индекс Малдэ сравнивается с числами Вольфа по данным Национального Центра геофизических данных, целью чего является проверка эффекта Пэнна-Ливингстона с точки зрения того или иного сценария эволюции солнечных пятен.

В пункте 1.4 «Обсуждение» даётся анализ средней напряжённости магнитного поля пятен по программе Службы Солнца СССР по каждому из четырёх одиннадцатилетних циклов. Предложена интерпретация зависимости качественных характеристик солнечных пятен, превалирующих в данном одиннадцатилетнем цикле, от фазы векового цикла, которые подкрепляются выводами подпункта 1.3.3.

Во второй главе «Сверхдолгопериодические колебания солнечных пятен на интервалах десятки-сотни часов» проанализированы вариации напряжённости магнитного поля и гелиографических координат солнечных пятен на промежутках времени несколько суток на основе многолетних наблюдений космического аппарата 50Н0 МБ1 и их сравнение с результатами ранних наземных наблюдений.

В пункте 2.1 «Введение» дана классификация квазипериодических колебаний магнитного поля пятна по продолжительности периодов их вариаций и по геометрическим модам, а также изложены результаты наземных наблюдений сверхдолгопериодических колебаний солнечных пятен.

В пункте 2.2 «Методы, используемые для статистического анализа квазипериодических колебаний» описана суть двух методов. В подпункте 2.2.1 приводится корреляционный периодограммный анализ (КПГА), а в подпункте 2.2.2 описан вейвлет-анализ.

В пункте 2.3 «Магнитограммы БОНО М01: техника измерений» изложен метод построения эллиптического параболоида, аппроксимирующего магнитное поле вблизи центра пятна. В подпункте 2.3.2 оценивается точность измерений напряжённости магнитного поля и гелиографических координат пятна.

В пункте 2.4 «Магнитограммы Я О НО МБ1: база данных» описаны исходные данные для анализа квазипериодических колебаний - магнитограммы БОНО МБ1. В подпункте 2.4.2 описана структура файла БИБ-формата, предложен способ формирования базы данных в программной среде МАТЬАВ для дальнейшего анализа колебаний.

В пункте 2.5 «Сверхдолгопериодические колебания солнечных пятен по космическим наблюдениям ЯОНО М01 и их сравнение с наземными наблюдениями» даны результаты анализа сверхдолгопериодических колебаний солнечных пятен КПГА-методом, которые сравниваются с выводами наземных наблюдений, полученных ранее.

В третьей главе «Долгопериодические колебания солнечных пятен на интервалах десятки-сотни минут: пространственные конфигурации» исследован вклад горизонтальных колебаний пятен в вариации напряжённости магнитного поля.

В пункте 3.1 «Введение» дан обзор наземных наблюдений долгопериодических колебаний солнечных пятен.

В пункте 3.2 «Модели взаимосвязи долгопериодических колебаний напряжённости магнитного поля и геометрических мод солнечного пятна» описывается метод, определяющий вклад горизонтальных мод в долгопериодические осцилляции напряжённости магнитного поля.

В пункте 3.3 «Долгопериодические колебания по космическим данным БОНО МБ1» при помощи графических средств показано наличие долгопериодических колебаний солнечных пятен на фоне сверхдолгопериодических осцилляций с большей амплитудой. Рассматриваются конкретные пятна с целью показать, что их

долгопериодические КПК представлены общим процессом для всех мод колебаний.

В пункте 3.4 «Результаты» изложен основной вывод главы: долгопериодические колебания напряжённости поля связаны с горизонтальными модами колебаний.

В четвёртой главе «Долгопериодические колебания магнитного поля солнечных пятен» рассматриваются вопросы, связанные с коррекцией и контролем ошибок наблюдений, а также исследуется экспериментальная зависимость частот колебаний от напряженности магнитного поля пятен.

В пункте 4.1 «Введение» изложена проблема пикселизации пятен на магнитограммах 80Н0 МБ1 и сопутствующей этой проблеме ошибке измерения поля в пятне.

В пункте 4.2 «Артефакты, связанные с пикселизацией магнитограмм 80Н0 МБ1», иллюстрируются изменения значения напряжённости поля в пятне при переходе с пиксела на пиксел с целью показать, что такие вариации являются артефактом. Х-артефакт определяется переходом пятна с пиксела на пиксел в горизонтальном направлении, а У-артефакт вызван пересечением пятном пиксела в вертикальном направлении. Показано, что наличие известного Х-артефакта делает неизбежным У-артефакт, который создает ложные периоды, близкие к ряду периодов долгопериодических колебаний.

В пункте 4.3 «Коррекция и контроль артефактов, связанных с пикселизацией магнитограмм 5ОНО МБ1» предложен способ разделения реальных колебаний напряжённости поля и артефактов, вызванных пикселизацией магнитограмм при помощи вейвлет-фильтрации.

В пункте 4.4 «Зависимость частоты долгопериодических колебаний от напряжённости магнитного поля пятна» строится экспериментальная зависимость частоты долгопериодических колебаний от напряжённости магнитного поля пятна по результатам наблюдений 45 стабильных пятен симметричной формы. В ходе анализа этой зависимости строится также гистограмма ложных периодов, возникающих из-за У-артефакта.

В пункте 4.5 «Выводы и результаты» подводятся основные итоги главы 4.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Публикации автора по теме диссертации

Соискатель имеет 9 опубликованных работ, в том числе по теме диссертации 9 работ; опубликованные в рецензируемых научных изданиях - 4. В том числе 3 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 1 работа в зарубежных научных изданиях, 5 работ опубликовано в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

1. Наговицын Ю.А., Рыбак A.JI. «Длительные изменения средних физических характеристик солнечных пятен». // Труды конференции «Солнечная и солнечно-земная физика - 2010», Санкт-Петербург, 2010, С. 283-286.

2. Pevtsov A.A., Nagovitsyn Yu.A., Tlatov A.G. and Rybak A.L. «Long-term Trends in Sunspot Magnetic Fields». // The Astrophysical Journal Letters. -2011. - V. 742. - Issue 2. - article id. L36. - P. 4.

3. Наговицын Ю.А., Рыбак А.Л., Наговицына Е.Ю. «Вариации магнитного поля и пространственные конфигурации долгопериодических колебаний солнечных пятен по данным КА SOHO». // Труды конференции «Солнечная и солнечно-земная физика — 2011», Санкт-Петербург, 2011, С. 239-244.

4. Рыбак АЛ. «Классификационный индекс Малдэ и долговременные изменения средних свойств солнечных пятен». // Труды конференции «Солнечная и солнечно-земная физика — 2012», Санкт-Петербург, 2012, С. 125-128.

5. Nagovitsyn Yu.A., Rybak A.L. and Nagovitsyna E.Yu. «Magnetic field variations and spatial configurations of long-period sunspot oscillations according to the SOHO Data». // Geomagnetism and Aeronomy. - 2012. - V. 52. - № 7. - P. 902-907.

6. Наговицын Ю.А., Рыбак A.JI., Наговицына Е.Ю. «Долго- и сверхдолгоиериодические колебания солнечных пятен по данным MDI SOHO». // Труды конференции «Солнечная и солнечно-земная физика - 2012», Санкт-Петербург, 2012, С. 405-408.

7. Nagovitsyn Yu.A., Rybak A.L., Nagovitsyna E.Yu. «Superlong-Period Oscillations of Sunspots according to SOHO MDI Data». // Geomagnetism and Aeronomy. - 2013. - V. 53. - № 7. - P. 1-4.

8. Наговицын Ю.А., Рыбак A.JI. «Артефакты SOHO MDI». // Труды конференции «Солнечная и солнечно-земная физика - 2013», Санкт-Петербург, 2013, С. 169-172.

9. Наговицын Ю.А., Рыбак АЛ. «Свойства долгопериодических колебаний солнечных пятен». // Астрономический журнал. - 2014 - Т.91. - № 5. - С.392-398.

Личный вклад автора

В работах /1-3, 5-9/ постановка задачи, обсуждение и подготовка к публикации диссертантом производилась совместно с соавторами.

В работах /1, 2/ автором отредактирована комбинированная база данных и на ее основе скомпилирован «синтетический» ряд магнитных полей солнечных пятен.

В работах /3, 5, 6, 7, 8, 9/ автору принадлежит разработка и реализация автоматического сканирования магнитограмм SOHO MDI и создание базы данных ежеминутных магнитометрических наблюдений солнечных пятен. Математическая обработка производилась совместно с соавторами.

Список литературы:

1. Spoerer G. Beobachtungen von Sonnenflecken in den Jahren 1885 bis 1893. // Publicationen des Astrophysikalischen Observatoriums zu Potsdam. - 1894. -v.lO-no.l.-P. 67.

2. Maunder E.W. The sun and sun-spot, 1820-1920. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. - 1922. - no. 6. - Vol. 82. - P. 534-543.

3. Hale G. E. Preliminary Note on the Rotation of the Sun as Determined from the Motions of the Hydrogen Flocculi. // Astrophysical Journal. - 1908. - no. 4. -Vol. 27.-P. 219-229.

4. Waldmeier M. Chromospharische Eruptionen. I. Mit 6 Abbilgunden. // Zeitschrift für Astrophysik. - 1938. - V. 16. - P. 285-287.

5. Gnevyshev M.N. On the 11-Years Cycle of Solar Activity. // Solar Physics. - 1967.-no. l.-V. 1,-Issue l.-P. 107-120.

6. Penn M.J and Liwingston W. Long-term evolution of sunspot magnetic fields. // The Physics of Sun and Star Spots - Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium. - 2011. - V.273 - P. 126-133.

7. Kobrin, M. M.; Pakhomov, V. V.; Prokofeva, N. A. The existence of quasi-periodic oscillations with periods from a minute up to some hours in the solar radio emission at 3 CM wavelength // Solar Physics, vol. 50, Sept.-Oct. 1976, p. 113125.

8. Гопасюк С.И. О возможном существовании крутильных колебаний в солнечном пятне с периодом около 40 минут. // Известия КрАО. - 1985. - Т. 73.-С. 7.

Подписано в печать 10.06.14 Формат 60х84'/16 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 04/06 печать

Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)