Квазипериодические проявления солнечной активности на различных временных шкалах

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................................... 6
В. 1. Актуальность работы ...................................................... 7
В.2. Цели диссертации........................................................... 8
В.З. Основные положения, выносимые на защиту.................................... 9
В.4. Научная новизна........................................................... 10
В.5. Практическое значение..................................................... 11
В.6. Апробация работы.......................................................... 11
В.7. Публикации по теме диссертации............................................ 13
В.8. Структура и объем......................................................... 13
Глава 1. Практические вопросы наблюдений Солнца и солнечной активности ...................................................................... 14
1.1. Вводные замечания: квазипериодические явления на Солнце................... 14
1.2. Индексы солнечной активности.............................................. 18
1.3. Служба Солнца и ее задачи................................................. 20
1.4. Систематические ошибки при координатных наблюдениях Солнца 20
1.5. Методы исследования квазипериодических явлений............................ 24
1.6. Подход нелинейной динамики................................................ 27
1.7. Проект «История Солнца»................................................... 29
Глава 2. Динамика магнитного поля Солнца и ноля скорости активных областей на коротких временных шкалах.......................................... 32
2.1. Вводные замечания......................................................... 32
2.1.1. «Долгопериодические» и «свердолгопериодические» колебания на временной шкале десятки минут - сотни часов (32). 2.1.2. Виды измерений горизонтального ноля скорости на Солнце методом трассеров (33).
2.1.3. Простые группы пятен - симплексы (34).
2.2. Методика определения точных гелиографических координат.................... 36
2.2.1. Методика ГЕЛИКОР (вариант стандартного фотогелиографа) (36).
2.2.2. Методика ГЕЛИКОР-М (вариант специального фотогелиографа)
(41).
2.3. «Сверхдолгопериодические» колебания пятен на временной шкале десятки-сотни часов и диагностика свойств пятен................................. 43
2.3.1. Сверхдолгопериодические крутильные колебания пятен (43). 2.3.2.
Другие типы сверхдолгоиериодических колебаний пятен (45). 2.3.3.
Сверхдолгопериодические колебания и глубина солнечного пятна (54).
2.4. «Долгопериодические» колебания пятен на временной шкале десятки-
сотни минут................................................................ 58
2.4.1. Первые свидетельства о долгопериодических колебаниях (59).
2.4.2. Изучение свойств долгопериодических колебаний (60). 2.4.3. Долгопериодические КПК в микроволновом радиодиапазоне: не только пятна (77). 2.4.4. Спектральные наблюдения КПК в магнитном поле пятен (83).
2.5. Основные выводы по главе
Глава 3. Солнечная активность на временной шкале 150-200 лет: ревизия наблюдательных данных.............................................
3.1. Вводные замечания................................................
3.2. Цюрихский ряд чисел Вольфа после 1980 г.: продолжение следует?...
3.2.1. Исследование стабильности и сравнение наблюдательных рядов различных обсерваторий (92). 3.2.2. Международный и кисловодский ряды чисел Вольфа (99).
3.3. Гринвичские площади пятен до и после Гринвича: продленный ряд индекса суммарной площади пятен в гринвичской системе, 1821-2005 гг...
3.3.1. «W-версия» ряда площадей пятен (105). 3.3.2. Среднегодовые значения площадей пятен в 1821-1874 гг.: процедура компиляции догрин-вичских наблюдений (108). 3.3.3. Среднемесячные значения площадей пятен в 1821-1874 гг. (110). 3.3.4. Среднемесячные и среднегодовые значения площадей пятен в 1976-1989 гг. (Пулковский каталог) (110). 3.3.5. Среднемесячные и среднегодовые значения площадей пятен в 1990-2005 гг. (кисловодские данные) (112).
3.4. Продленные ряды экваториальной N-S асимметрии суммарных площадей и средних широт пятен.............................................
3.5. Высокоширотное магнитное иоле Солнца: “синтетический” ряд среднегодовых чисел полярных факелов, 1847-1999 гг..........................
3.5.1. Наблюдательные данные (117). 3.5.2. Индекс структуры солнечной короны П и синтез наблюдений (118). 3.5.3. Выравнивание ряда и поиск экстремумов (123). 3.5.4. Ряд чисел полярных факелов в 1847-1999 гг. (124).
3.6. ИНТЕРНЕТ-база данных ESAI (“Extended time series of Solar Activity Indices”) ..............................................................
Глава 4. Солнечная активность на 400-летнсй временной шкале...........
4.1. Вводные замечания................................................
4.2. Суммарная площадь солнечных пятен - 400-летний ряд...............
4.2.1. Суммарная площадь солнечных пятен и полный (пятенный) магнитный поток Солнца (128). 4.2.2. Числа Вольфа и изменения системы их подсчета (129). 4.2.3. Число групп пятен и возможные потери информации (130). 4.2.4. Первичные индексы и площади солнечных пятен на интервале 1610-2000 (131). 4.2.5. Результаты (137).
4.3. Задачи реконструкции временных рядов индексов на длительных шкалах и методы их решения...................................................
4.3.1. Вводные замечания (138). 4.3.2. Метод кратномасштабных регрессий (MSR) (138). 4.3.3. Метод разложения по компонентам псевдофазо-вого пространства (DPS) (140).
4.4. Средние широты пятен.............................................
4.5. аа-индекс геомагнитной активности................................
4.5.1. Вводные замечания (143). 4.5.2. Параметры магнитного поля Солнца и аа индекс (144). 4.5.3. аа-индекс на четырехсотлетней вре-
-4-
менной шкале (1610-2000 гг.) (147). 4.5.4. пп-индекс и прогноз 11-летнего цикла (149).
4.6. аа-индекс и крупномасштабное магнитное поле Солнца....................... 150
4.7. Основные результаты по главе............................................. 152
Глава 5. Солнечная активность на 1000-летней и свсрхтмсячелетней
временной шкале............................................................... ]54
5.1. Задачи реконструкции и моделирования параметров солнечной активности на тысячелетней временной шкале. «Принцип свидетелей» 154
5.2. Солнечная активность двух последних тысячелетий и Служба Солнца в Древнем и Средневековом Китае............................................. 155
5.2.1. Каталог Виггмана-Сю и данные о вариациях солнечной активности в далеком прошлом (155). 5.2.2. Временные ряды индексов солнечной активности на основе каталога Виттмана-Сю (156). 5.2.3. Анализ бинарного ряда однородных событий WX0 (подход функции автоподобия)
(163). 5.2.4. Анализ количественного ряда fVXc(t) (вейвлет-подход)
(163). 5.2.5. Выводы (166).
5.3. Нелинейная математическая модель солнечной цикличности на 1000-
летней временной шкале..................................................... 167
5.3.1. Асо - портрет нелинейного процесса (подход Крылова-Боголюбова)
(167). 5.3.2. Задача и метод исследования (169). 5.3.3. Вычислительная процедура (170). 5.3.4. Анализ ряда чисел Вольфа (172). 5.3.5. Анализ ряда Шоува, 1100 - 1700 (173). 5.3.6. Качественная модель процесса
солнечной цикличности и уравнение Дуффинга (174). 5.3.7. Реконструкция ряда среднегодовых значений чисел Вольфа в 1100-1700 гг. (176)
5.3.8. Оценки ошибок (176). 5.3.9. Принцип свидетелей: сравнение с другими данными (179).
5.4. 1000-летние версии различных индексов солнечной и геомагнитной активности .................................................................. 179
5.4.1. Суммарная площадь солнечных пятен и полный пятенный магнитный поток на тысячелетней временной шкале (180). 5.4.2. 900-летний ряд пп-индекса (181).
5.5. Сверхтысячслетняя временная шкала: перспективы исследований 182
5.6. «Сверхмиллионолетняя» временная шкала: Элатина?........................... 187
5.7. Основные результаты по главе.............................................. 188
Глава 6. Что нам даст «История Солнца»?........................................ 190
6.1. К интерпретации квазипериодических колебаний в пятнах............. 190
6.2. Полярная и экваториальная активность. Факты для теории.................... 194
6.3. Маундеровский минимум. Геомагнитное поле и прогнозы 11-летнего
цикла...................................................................... 199
6.3.1. 11-летние циклы во время Маундеровского минимума (199). 6.3.2. Продолжительность «одиннадцатилетнего» цикла в Маундеровском минимуме (200). 6.3.3. Маундеровский минимум и минимум Дальтона (201).
6.4. Правило Гневышева-Оля и его обобщения..................................... 202
-5-
6.4.1. Правило Гневышсва-Оля и его формулировки (202). 6.4.2. Какой индекс выбрать? (203). 6.4.3. Проблема «потерянного цикла» (203).
6.4.4. Нарушено ли Правило в паре циклов 22-23? (205). 6.4.5. Правило Гневышева-Оля в 1650-2008 гг. (206) 6.4.6. ПГО на тысячелетней временной шкале (206). 6.4.7.«Обобщенное» правило Гневышева-Оля (208).
6.5. Солнечная активность и климат Земли....................................... 211
6.5.1. Вводные замечания (211). 6.5.2. Вейвлет-энтропия и ее изменение у солнечной активности и климата Земли на тысячелетней временной шкале (211). 6.5.3. Длительные циклы солнечной активности и климата Земли (213). 6.5.4. Сценарий будущего поведения солнечной активности и климата Земли «в общих чертах» (215). 6.5.5. Мы живем в уникальную эпоху?(219)
Заключение
Литература
222
225
-6-
Введение
В.1. Актуальность работы.
В.2. Цели диссертации.
В.З. Основные положения, выносимые на защиту. В.4. Научная новизна.
В.5. Практическое значение.
В.6. Апробация работы.
В.7. Публикации по теме диссертации.
В.8. Структура и объем.
Диссертационная работа посвящена решению фундаментальных проблем гелиофизики и солнечно-земных связей: исследованию природы и динамики солнечного магнитного поля и его влияния на земные процессы.
Современная гелиофизика рассматривает солнечную активность (СА) как комплексный процесс изменения магнитного ноля Солнца на различных пространственных и временных масштабах. Мы знаем, что характерные размеры активных образований на Солнце широко варьируют: от 102-103 км (элементарные трубки магнитного потока, магнитные фрагменты) до 105-106 км (корональные структуры, протуберанцы, комплексы активности и др.). Основными физическими феноменами, определяющими не только пространственные, но и временные вариации СА, являются активные области (АО) -места концентрации магнитного потока с типичным размером ~ 105 км, общее число которых изменяется приблизительно с 11-летним периодом. Это явление было открыто в 1848 г. по периодическому увеличению на солнечном диске числа солнечных пятен - основной составляющей АО, видимой в белом свете, и положило начало международной программе Службы Солнца. Сейчас эта программа представляет собой непрерывный мониторинг целого ряда различных проявлений СА, который ведется как наземными, так и космическими средствами. С начала XX в., и особенно за последние полвека, достигнут большой прогресс как в регулярности и комплексности отслеживания параметров СА, так и в создании соответствующих информационных ресурсов, доступных с 90-х гг. XX века через ИНТЕРНЕТ.
Кроме того, в XX в. были накоплены данные о текущем влиянии СА на целый ряд земных процессов, а также на процессы в околоземном космическом пространстве, и было введено специальное понятие «Космическая погода» («Space Weather»). В то же время, связь длительных, эпохальных, климатических изменений с активностью Солнца (проблема «Космический климат» - «Space Climate») остается до сих пор дискуссионной. Это обусловлено, главным образом, тем, что нет надежных данных о поведении гео- и ге-лиофизических систем на достаточно длительном интервале времени.
-7-
В.1. Актуальность
В 70-80 гг. XX в. были прекращены два классические ряда индексов СА -гринвичский ряд суммарной площади и цюрихский ряд относительного числа солнечных пятен (числа Вольфа).
Ценность этих рядов трудно преувеличить: в оригинальных наблюдательных вариантах первый из них имеет продолжительность более 100, а второй - более 130 лет. Именно на них основано подавляющее большинство исследований, связанных с долговременными изменениями СА, и проблема корректного продолжения этих рядов весьма актуальна. По решению XVI Генеральной Ассамблеи МАС в Гренобле продолжение Гринвичского каталога было поручено Дебреценской гелиофизической обсерватории и Кисло-водской горной станции (ГАС ГАО АН СССР). Современная прецизионная методика определения гелиографических координат пятен, разработанная для продолжения гринвичской системы, составила одну из задач диссертации.
Продолжение цюрихского ряда было поручено Бельгийской Королевской обсерватории в Уккле. Следует отметить, однако, что согласно нашим исследованиям (совместно с Гневышевым и Наговицыной, 1985) наилучшее соответствие с цюрихской системой имела кисловодская система определения числа Вольфа. Поэтому получилось так, что первые шаги почти на всех направлениях, развитых в диссертации, были инициированы и поддержаны основателем Службы Солнца СССР и Кисловодской горной станции М.Н. Гневышевым для решения по-прежнему актуальных проблем продолжения рядов индексов СА, контроля их стабильности, непрерывности и однородности.
Благодаря Службе Солнца, к настоящему моменту мы располагаем вполне удовлетворительным описанием феноменов, происходивших на Солнце в последние 50-100 лет, и представляем, более-менее детально, 11-летний цикл СА. Совсем иначе обстоит дело с СА в масштабах, превышающих столетие. Работы многих авторов содержат указания на то, что кроме 11-летнего, существуют и долгопериодические циклы СА: - 80-90 лет (цикл Глейсберга), ~ 200 лет (цикл Зюсса), - 900 лет и больше. Информация о них очень важна, т.к. именно их суперпозиция определяет сложный динамический сценарий СА на большой временной шкале. Однако для таких шкал нет удовлетворительных наблюдательных данных, и для исследования СА ее необходимо предварительно реконструировать, т.е. в первую очередь разработать специальные подходы и методы моделирования, способы оценки достоверности используемых цензурированных косвенных данных и корректности получаемых сценариев.
Актуальность таких исследований иллюстрируется, например, следующим примером. Существует довольно распространенное мнение, что в наше время происходит катастрофическое изменение климата Земли - рекордно быстрое глобальное потепление, вызванное, возможно, техногенным
-8-
загрязнением атмосферы и способное привести к необратимым последствиям, включая гибель биосферы. В качестве альтернативы, согласно целому ряду исследований, выдвигается идея о том, что главную роль в климатических изменениях играет СА, уровень которой в нашу эпоху аномально высок. Очевидно, однако, что не только выбор между упомянутыми альтернативами, но само суждение о «нормальности» современного земного климата и СА полностью зависит от надежного описания динамики этих систем на достаточно длительных интервалах времени.
В июне 2004 г. в Оулу (Финляндия), прошла первая международная конференция по Космическому климату - новому понятию, имеющему непосредственное отношение к вопросам, рассматриваемым в диссертации. Космическому климату можно дать несколько рабочих определений:
- долгопериодические тенденции Космической погоды;
- совокупность внешних космических факторов, влияющих на климат Земли;
- совокупность долговременных (инертных) солнечно-земных связей.
Наши исследования в рамках этой темы представляют собой специальное направление изучения долговременной динамики магнитного поля Солнца. Конкретно решаемая задача - описание СА на разных типичных временных шкалах - с одной стороны, приближает нас к пониманию природы СА, а с другой, - создает необходимую базу данных для прикладных исследований в области геофизики и солнечно-земных связей. Сопоставление проводимой в работе реконструкции СА на интервалах времени от нескольких сотен до 10 тысяч лет с климатической реконструкцией может реально продвинуть нас в понимании причин, вызывающих глобальные изменения физических параметров атмосферы Земли.
В.2. Цели диссертации
Основными целями диссертационной работы являются:
- Получение физически информативных комплексных данных о динамике СА на различных пространственно-временных масштабах.
- Количественный и качественный анализ эволюции СА на основе реконструкций поведения различных компонент магнитного поля Солнца на длительных временах.
- Реконструкция поведения геомагнитной активности на длительных временах.
В работе предложен системный подход к исследованию СА как процесса квазипериодических колебаний на различных шкалах времени. Подход ориентирован на получение информативных данных о динамике СА, главным образом, в форме временных рядов индексов, описывающих различные компоненты магнитного поля Солнца на разных масштабах времени, адаптированных для моделирования Солнечно-земных связей. Основное внимание уделяется при этом рекуррентному мультимодальному поведению СА. Имен-
-9-
но поэтому диссертация начинается рассмотрением колебательной динамики магнитного поля АО и солнечных пятен как существенных подсистем глобальной СА с характерными временами рекуррентности от минут до суток.
В.З. Основные положения, выносимые на защиту
1. На основе разработанной прецизионной методики HELICOR(-M) обнаружено, что главный вклад в динамику АО (собственное движение пятен) вносит комплекс пространственных мод кзазипериодических колебаний на типичных временных шкалах от десятков минут до нескольких суток. Кроме известных ранее крутильных мод, выявлены радиальные, широтные и долготные колебания. Колебания с периодом порядка десятков минут надежно выявлены по трем типам наблюдений: в белом свете, в спектральных оптических измерениях и в микроволновом радиодиапазоне. Типичные периоды крутильных и радиальных колебаний, названных относительными, составляют 50 ± 10 мин и 4 ± 2 сут, широтных и долготных, названных абсолютными, 110 ± 40 мин и 8 ± 2 сут. На основе исследования крутильных колебаний подтверждена модель солнечного пятна, как поверхностного образования глубиной 2500-3000 км.
2. С помощью приведения в базовую систему наблюдений различных обсерваторий построен наиболее продолжительный (150-летний) синтетический ряд индекса полярного магнитного поля Солнца - числа полярных факелов. Кроме того, получены удлиненные однородные ряды северо-южной асимметрии трех различных индексов СА: площадей пятен, чисел полярных факелов и средних широт пятен, - позволяющие изучать пространственную структуру СА на больших временных шкалах.
3. Показано, что число Вольфа R и относительное число групп пятен GSN - физически различные индексы СА, и выбор в пользу одного из них как более «правильного» неправомерен. На основе наблюдательных рядов R(t) и GSN(t) с помощью подхода т.н. «первичных» индексов предложены версии временных рядов среднегодовых и среднемесячных значений суммарной площади пятен S(t), начиная с 1610 и 1749 г. соответственно. Поскольку S(t) прямо связана с физически осмысленным индексом полного абсолютного магнитного потока пятен, стало возможно исследовать СА на длительных интервалах в физическом, а не статистическом контексте.
4. Показано, что в то время как для «энергетической» характеристики (площади под 11-летней циклической кривой) максимальная корреляция связывает четный и следующий нечетный 11-летние циклы (правило Гневыше-ва-Оля), для «временных» характеристик (интервалов между экстремумами R(t)) корреляция максимальна (94%) в нечетном цикле и монотонно падает
до нуля следующие 22 года. Это может быть истолковано как проявление стрелы времени: процесса возрастания энтропии магнитного поля, форми-
-10-
рующего временной профиль хэйловской пары циклов от ее возникновения до разрушения. Причем возрастание энтропии в 22-летнем цикле происходит одновременно (или почти одновременно) на всем Солнце, от экватора до полюсов. Этот факт принципиально важен для построения теории солнечной и звездной цикличности.
5. Построены 400-летние реконструкции геомагнитного аа-индекса и диполь-квадрупольного А-индекса крупномасштабного фонового магнитного поля Солнца. На 400-летнем интервале подтвержден вывод об опережающем развитии фонового магнитного поля относительно эволюции АО, а также -эффективность прогноза величины максимума 11-летнего цикла по геомагнитным возмущениям в предшествующем минимуме методом Оля.
6. По летописным данным о солнечных пятнах (каталог Виттмана-Сю), реконструированы с 0 г. Н.Э. новые ряды индексов СА. Их анализ показал:
- грандиозные максимумы и минимумы СА выявляются на основе совместного анализа Каталога и радиоуглеродного ряда Стюйвера методами вейвлет-техники;
- 11-летний цикл представлен в Каталоге мультиплетом (9.7,10.6,11.2) лет;
- выявляются длительные циклы СА: 800-летний, 400-летний и вековой;
- продолжительность векового цикла (Глейсберга) составляет в среднем 90 лет; кроме того, присутствуют циклические компоненты 60-70 и 110-130 лет.
Таким образом, получены определенные количественные результаты из данных исторических хроник.
7. Построена нелинейная математическая модель СА и получена самая продолжительная в настоящее время - 900-летняя - реконструкция ряда среднегодовых значений числа Вольфа. Были использованы данные Шоува о моментах экстремумов 11-летних циклов и метод «обратной задачи» в подходе Крылова-Боголюбова.
8. На основе комплекса имеющихся независимых данных показано, что за последние 1000 лет было несколько эпох грандиозно высокой СА, подобных максимуму СА в XX в., т.е. современный средний уровень СА не является аномально высоким.
9. Создана комплексная база данных для изучения СА и солнечноземных связей на длительных интервалах времени. База включает в себя оригинальные реконструкции рядов различных индексов СА (ЕБА1), доступные на веб-сайте http://www.gao.spb.ru/database/esai.
В.4. Научная новизна.
Научная новизна работы состоит, главным образом, в следующем:
- Разработана прецизионная методика определения гелиографических координат фотосферных деталей, наиболее точная среди всех, применявшихся ранее.
-11-
- Обнаружен и исследован целый ряд пространственных и временных мод квазипериодических колебаний в различных процессах масштаба ЛО.
- Произведена компиляция в базовые системы индексов глобальной СА по разрозненным наблюдениям XIX в.
- Получены 400-летние реконструкции временных рядов индексов солнечной и геомагнитной активности.
- Построены модели динамических сценариев прошлого поведения СА на временных шкалах в тысячу и более лет.
Кроме того, получены новые выводы, имеющие отношение к природе СА и солнечно-земным связям.
В.5. Практическое значение
Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что:
- Исследование колебательных процессов масштаба АО на временной шкале десятки минут - несколько суток открывает новые возможности для наблюдательной диагностики физических параметров магнитных структур Солнца (главным образом, солнечных пятен) и, следовательно, для понимания природы СА.
- Новые реконструкции СА на шкале времени сотни - тысячи лет, вошедшие в электронную базу данных, могут быть использованы как в физике Солнца, например, для развития теории цикличности СА, так и в Солнечно-Земной физике - для исследования климатических, палеоклиматических и многих других аспектов солнечно-земных связей.
- Достигнуто понимание, что наиболее типичным свойством СА на всех временных масштабах от минут до тысяч лет являются квазипериодиче-ские колебания, которые, вообще говоря, с физической точки зрения не могут быть представлены как мультигармонические в силу нелинейного характера процессов.
В.6. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы, подходы, методы, модели были представлены в докладах на более чем 30 международных и всероссийских научных конференциях. Среди них:
• 12th Régional Consultation on Solar Physics (Smolenice, the Slovak republic, 1986).
• Симпозиум КАПГ «Прогнозы солнечной активности и наблюдения солнечных активных явлений» (Ленинград, 1987).
• Всесоюзная конференция «Физика Солнца» (Алма-Ата, 1987).
-12-
• XIII консультативное совещание КАПГ по физике Солнца «Солнечные магнитные поля и корона» (Одесса, 1988)
• 4 научный семинар рабочей группы «Волны в атмосфере Солнца» (Тбилиси, 1988).
• ‘Solar-Terrestrial Predictions Workshop’ (Leura, Australia, 1989).
• IAU Symp № 138 ‘Solar Photosphere: Structure Convection and Magnetic fields’(Kiev, 1989).
• Всероссийская конференция «Пространственно-временные аспекты солнечной активности» (Санкт-Петербург, ГАО РАН-ФТИ РАН, 1994).
• Международная конференция «Современные проблемы солнечной цикличности» (Санкт-Петербург, Пулково, 1997).
• IAU colloquium ‘Processing and scientific uses of astronomical data’ (St.-Petersburg, Pulkovo, 1998).
• Международная конференция «Новый цикл активности Солнца» (Санкт-Петербург, Пулково, 1998).
• Международная конференция «Крупномасштабная структура солнечной активности: достижения и перспективы» (Санкт-Петербург, Пулково, 1999).
• Joint European and National Astronomy Meeting JENAM-2000 (Moscow, 2000).
• Международная конференция «Солнце в эпоху смены знака магнитного поля» (Санкт-Петербург, Пулково, 2001).
• Всероссийская конференция по физике солнечно-земных связей (Иркутск. 2001).
• Международная конференция «Солнечная активность и космические лучи после смены знака полярного магнитного поля Солнца» (Санкт-Петербург, Пулково, 2002).
• Конференция стран СНГ и Прибалтики «Активные процессы на Солнце и звёздах» (Санкт-Петербург, 2002).
• International conference ‘Astrobiology-2002’ (Ioffe Phys.-Tech. Inst., St-Petersburg, 2002).
• Международная конференция «Климатические и экологические аспекты солнечной активности» (Санкт-Петербург, Пулково, 2003).
• Всероссийская конференция «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности» (Н.-Новгород, 2003).
• International workshop ‘Cosmogenic climate forcing factors during the last millennium’ (Kaunas, Lithuania, 2003).
• Chapman Conference on Physics and Modeling of the Inner Magnetosphere (Helsinki, Finland, 2003).
• IAU Symposium No 223. Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity. (St.-Petersburg, 2004).
• First International Symposium on Space Climate: Direct and Indirect Observations of Long-Term Solar Activity (Oulu, Finland, 2004).
и другие. Всего опубликовано более 100 тезисов докладов.
-13-
Различные аспекты работы прошли предварительную экспертизу и были неоднократно поддержаны отечественными и международными грантами: ИНТАС (№№ 2000-00543, 2000-00752, 2001-00550), Американского астрономического общества (1994 г.), РФФИ (№№ 96-02-16579, 96-02-19178, 98-07-90372, 01-07-90289, 02-02-16548, 03-02-17505, 04-02-17560 и 05-07-90107), Миннауки (1993-2003 гг.), программ Президиума РАН «Нестационарные явления в астрономии» (2001-2004) и «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» (2005).
Результаты, полученные в работе, входили в списки «Важнейших достижений в области астрономии» Научного совета по астрономии ОФН РАН (2003, 2004) и Российской академии наук (2003, 2004). Эти результаты отражены выше в Положениях, выносимых на защиту, в пп. 1, 8 и 9.
В.7. Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 90 работ (без тезисов) [1-90], из них 46 -в рецензируемых изданиях. 22 работы опубликованы в основных современных рецензируемых журналах (журналах с официальным импакт-фактором), в том числе 11 - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторской диссертации. Остальные публикации - это труды всероссийских и международных конференций, тематические сборники, сборники «Известия ГАО», «Астрономический циркуляр», а также депонированные статьи.
26 статей написано без соавторов. В остальных работах автору принадлежат, главным образом, подходы и методы решения.
В.8. Структура и объем
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 326 наименований. Работа содержит 244 страницы, 118 рисунков и 34 таблицы в тексте диссертации.
-14-
Глава 1. Практические вопросы наблюдений Солнца и солнечной активности.
1.1. Вводные замечания: квазипериодические явления на Солнце
1.2. Индексы солнечной активности
1.3. Служба Солнца и ее задачи.
1.4. Систематические ошибки при координатных наблюдениях Солнца
1.5. Методы исследования квазипериодических явлений
1.6. Подход нелинейной динамики
1.7. Проект «История Солнца»
Солнечная активность - глобальный нестационарный квазипериодиче-ский процесс, обусловленный динамикой магнитного поля, проявляющего себя в целом ряде пространственных и временных компонент [91-95]. Поэтому для понимания физики этого процесса мы обязаны рассматривать максимально комплексную и обширную информацию о состоянии солнечной активности: по времени - от суток и долей суток до сотен и тысяч лет, по локализации - от солнечного экватора до его полюсов.
1.1. Вводные замечания: квазипериодические явления на Солнце.
Солнечные пятна были открыты в начале семнадцатого века независимо и одновременно четырьмя исследователями - Г.Галилеем, Т.Хэрриотом, И.Фабрицием и Х.Шейнером - сразу же после изобретения телескопа. Открытие же солнечного цикла выглядит почти случайным: астроном-любитель Г.Швабе в результате 20-летних наблюдений только к середине девятнадцатого века обнаружил периодичность “солнечной деятельности” с периодом около десяти лет. Столь долгий период необнаружения яркого явления на Солнце (темно-серая область на рис. 1.1), очевидно, может быть связан с господствующей в то время ложной парадигмой об отсутствии каких-либо закономерностей в пятнообразовании [95]. Р.Вольф в Цюрихе с конца 40-х годов XIX века начал регулярный визуальный подсчет относительного числа пятен, а В.Деларю в обе. Кью [100] - фотографические наблюдения фотосферы, которые затем были продолжены с 1874 г. в Гринвиче. Именно начиная с Гринвичского каталога, в котором стала приводиться и детальная информация об отдельных группах пятен, мы можем говорить о начале физического исследования солнечной активности (Кэррингтон, который в 50-е годы XIX века также проводил детальные исследования пятен с целью определения элементов вращения Солнца, наблюдал всего 7 лет). До этого (светло-серая область на рис.1.1) наблюдатели ограничивались статистическим подсчетом относи-
-15-
тельного числа пятен (Вольф) или их групп (Швабе, который иногда употреблял термин «cluster» вместо «group»). Таким образом, если иметь ввиду, что СА - не только числа пятен, но и целый ряд других показателей, следует заключить, что мы не располагаем удовлетворительным описанием квазипе-риодического поведения солнечной активности на временном промежутке, превышающем 100-130 лет. В то же время, поскольку до начала регулярного мониторинга некоторые разрозненные наблюдения все же имеются, можно попытаться их объединить в базовые системы, и это стало одной из задач нашей работы (см. главу 3). Такое исследование представляется закономерным добавлением к усилиям Вольфа, который обобщил данные разных наблюдателей по относительному числу пятен, начиная с XVIII века [100] и Хойта-Шаттена, скомпилировавших число групп пятен, начиная с XVII века [101].
I—і—і—і—і і—і—і—і—.—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і '—і—і—і—і—і—'—I—і
1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900
Рис.1.1. От открытия солнечных пятен до обнаружения 11-летнего цикла и его регулярных наблюдений. Серая область - эпизодические наблюдения Солнца. Заштрихованная - наблюдения до начала применения фотографии. Приведены портреты (слева направо) Галилея, открывшего солнечные пятна; Швабе, открывшего цикличность; Вольфа, начавшего регулярный подсчет относительного числа пятен; Деларю, с которого начались регулярные фотографические наблюдения.
Определяющим носителем низкоширотной активности является активная область (АО) - комплекс феноменов, связанных с динамикой и эволюцией выходящего на поверхность Солнца из подфотосферных слоев сильного магнитного поля биполярной или мультиполярной конфигурации (употребляемый, кроме того, термин “униполярная конфигурация” АО имеет условный смысл, поскольку с\\\Н = 0). Именно суперпозиция параметров отдельных АО и отслеживается нами с помощью индексов глобальной активности, таких как числа Вольфа, суммарные площади пятен, средние широты пятен, потоки радиоизлучения, Са11-индекс и др. Таким образом, изучая с одной стороны, солнечную цикличность, а с другой - временное поведение активных областей, мы изучаем динамику магнитного поля Солнца как бы на двух уровнях: крупномасштабном (глобальном) и мелкомасштабном (локальном).
-16-
В рамках основного подхода нашей работы такая точка зрения тем более правомерна, поскольку, как показывают исследования, места повышенной концентрации магнитного потока АО - солнечные пятна - в ряде параметров показывают также квазипериодическое поведение (хотя и на других временных масштабах). Осцилляционная (квазипериодическая) динамика пятен и ее нелинейная природа - еще одно направление нашего исследования (глава 2).
Низкоширотной активностью не исчерпывается активность Солнца. Мы знаем, что так называемые эфемерные активные области заполняют собой весь интервал солнечных широт. С эфемерными магнитными областями связаны полярные факелы (Макаров, [103]), суммарное число которых является индексом высокоширотной активности, задаваемой преимущественно полоидальной конфигурацией глобального магнитного поля Солнца и развивающейся приблизительно в противофазе с низкоширотной активностью (правило Вебера [104]), задаваемой глобально тороидальной конфигурацией. Теория динамо [105] как раз связывает процесс самовозбуждения магнитного поля на Солнце с взаимодействием низкоширотной и высокоширотной компонент. Поэтому получение представительного ряда индекса, описывающего квазипериодические колебания высокоширотной активности, представляется нам важным.
В ряде работ, посвященных исследованию солнечной активности, в той или иной форме ставилась и решалась задача построения математической модели ее временных вариаций. Полагалось, что при успешном решении этой задачи мы проясним физические механизмы феномена и - как важное практическое приложение - будем иметь возможности для прогнозирования цикличности Солнца в будущем. Уже априори можно заключить, что создаваемая математическая модель должна быть нелинейной, поскольку мы знаем правило Вальдмайера: чем короче ветвь роста цикла, тем больше его амплитуда, - так что, другими словами, амплитудные характеристики 11-летних циклов коррелируют с их временными (частотными) параметрами ([106-107] и др.), а это - неотъемлемое свойство нелинейных систем. С другой стороны, прошлые неудачи линейных методов долговременного прогнозирования солнечной цикличности [91] тоже говорят в пользу необходимости представления процесса цикличности в более рафинированном виде, чем простая сумма синусоид или каких-либо других строго периодических функций.
В этой работе будут постоянно употребляться слова “нелинейность”, “нелинейный”, поэтому уточним терминологию. Хансльмайер [108], например, вслед за другими авторами дает следующее определение. Физическая система ведет себя как нелинейная, если:
а) система чувствительна к начальным условиям;
б) система уравнений, описывающая систему, содержит нелинейные члены;
в) спектр мощности физических параметров системы (скоростей, температур и т.п.) - непрерывный.
-17-
Как нам кажется, в этом определении пп. а) и б) должны быть приняты безусловно, а п. в) заслуживает обсуждения. Дело в том, что мы до самого последнего времени привыкли рассматривать процессы (квази-)периодического типа сквозь призму гармонического анализа, забывая, что его применение к процессу уже несет некоторую априорную аксиоматику. А именно, мы молчаливо полагаем, что синусоиды, задаваемые глобально вдоль реализации, являются естественными функциями, по которым развивается процесс. Другими словами, системы однородных линейных уравнений
X'+tfX, =0,/ = 1*л,
или более широкая неоднородная, но также линейная, аппроксимирующие процесс, - физически осмысленны. Поэтому нам представляется, что вместо п. в) можно было бы предложить следующий, более точный в данном случае:
в*) точечные оценки амплитуд квазипериодических компонент зависят
от локальной частоты.
Локальные оценки параметров здесь рассматриваются как альтернатива глобальным в рамках Фурье-подхода и могут пониматься в разных смыслах: теории аналитического сигнала [109], гильбертовского подхода [92]), вейвлет-преобразования [ПО], подхода Крылова-Боголюбова [111], метода Хуанга-Гильберта [112] и т.п., т.е. в любых модификациях подходов и методов, когда мы сопоставляем отдельному колебанию определенные частоту и амплитуду или говорим о быстрых и медленных переменных квазипериодиче-ского процесса.
Основным направлением наших исследований является разработка подхода и его применение к солнечной активности как к нелинейному нестационарному квазипериодическому процессу, под которым мы будем понимать процесс с любым нестационарным поведением циклического типа, развивающийся в вообще говоря, нелинейной - в смысле п. а), б), в*) системе. В этом случае особую роль играет долговременное наблюдение за параметрами системы, поскольку колмогоровские времена (т.е. времена “забывания” начальных условий - см. п.а) Определения) в общем случае не бесконечны, и удаленные друг от друга участки временных рядов не коррелируют. Отсюда следует практический вывод: для понимания процесса солнечной активности мы должны уделить особое внимание созданию представительной совокупности наблюдательных данных, лежащей в основе феноменологии изучаемых процессов, и специально рассмотреть как все типичные масштабы (квази-) периодичностей, так и участки особого, нестандартного поведения системы.
Последнее, о чем хотелось бы упомянуть в этом разделе, это использование в этой работе для восстановления хода солнечной активности в прошлом косвенных (более точно, непрямых) источников - т.н. «proxies». Первый такой источник - солнечные пятна, замеченные невооруженным глазом, по материалам, главным образом, восточных летописей [113]. Второй - наблюдения полярных сияний в Европе и на Востоке [114]. Третий - измерения содержания космогенного изотопа |4С в годичных кольцах деревьев [115-
-18-
116]. Четвертый - аналогичные измерения ,0Ве в кернах полярного льда [117-118]. Хотя эти источники наших знаний о СА в прошлом охватывают большой интервал времени, исчисляющийся тысячелетиями, их косвенный характер указывает на то, что надежность информации, полученной по отдельному источнику, невелика. Поэтому в нашей работе мы специально оговариваем возможности реконструкций поведения СА в прошлом на основе proxies -см. раздел 1.7 и главу 5.
1.2. Индексы солнечной активности.
В книге Ю.И.Витинского, М.Копецкого и Г.В.Куклина [92] вслед за ставшей уже классической монографией Ю.И.Витинского [91] дается следующее определение индексов солнечной активности:
это - глобальные численные характеристики, усредненные по тому или иному интервалу времени и относящиеся ко всему Солнцу или существенной его части, которые отражают особенности того или иного вида солнечной активности (солнечных пятен, факельных площадок, солнечных вспышек, протуберанцев и т.д.).
Одной из основных задач исследований солнечной активности является построение математической модели ее вариаций. Другая важнейшая задача -выявление круга физических законов (движения, сохранения и т.п.), описывающих солнечную активность “в основном”. Понятно, что эти две задачи взаимосвязаны. Так, совокупность физических параметров, описывающих в целом солнечную активность, можно представить как некое фазовое пространство, эволюцию активности - фазовой траекторией в фазовом пространстве, вариации отслеживаемых параметров (индексов) СА - проекциями фазовой траектории на некоторые направления в фазовом пространстве. Таким образом, понятие индекса СА оказывается тесно связанным с понятием “наблюдаемой” - одной из основных понятий в современной нелинейной механике, имея ввиду знаменитую теорему Такенса [119, 120]. Важным здесь представляется то уточнение к определению индекса, данному выше, что это - параметр, отражающий, по предположению, реальную физику системы (но, вообще говоря, не обязательно исчерпывающий ее физическое описание) и однозначно связанный со стандартными базовыми физическими величинами, образующими соответствующее фазовое пространство.
Перечислим основные индексы солнечной активности, с которыми мы будем иметь дело в этой работе.
- Относительное число пятен или число Вольфа R. Этот показатель вычисляется как взвешенная сумма числа групп пятен с весом десять и числа пятен. Показатель сильно зависит от телескопа и наблюдателя и поэтому снабжен корректирующим множителем к для учета этих обстоятельств. Для цюрихского ряда к = 0.6.
-19-
- Относительное число групп пятен С, или в версии Хойта и Шаттена, -С5Д^ = 12.08С.
- Средняя площадь солнечных пятен 5. Показатель, который измеряется в миллионных долях полусферы Солнца (мдп) и вычисляется как сумма всех площадей пятен, скорректированных за перспективное искажение от центра к краю видимого диска Солнца.
- Средняя широта пятен ф. Этот показатель, который впервые стали подсчитывать Кэррингтон и Шперер [121], важен при изучении изменения широтной локализации С А в течение 11-летнего цикла.
- Число полярных факелов Это индекс высокоширотного (полярного) магнитного поля Солнца. Вычисляется в вариантах: либо для |ф|>40°, либо для |ф[>60°.
- Индекс северо-южной асимметрии пятнообразования. Этот индекс характеризует глобальную организацию активности относительно экватора Солнца и вычисляется как
9 = (5,у-5,)/(5,у + 55) (1.1)
для площадей пятен в N и 5 полушариях Солнца. Для догринвичских циклов q вычислялся по числу пятен в полушариях [122].
- Индекс северо-южной асимметрии широтной локализации пятнообразования. Вычисляется аналогично (1.1), но вместо площадей пятен фигурируют средние широты пятнообразования по полушариям.
- Индекс северо-южной асимметрии полярной активности. Вычисляется также аналогично (1.1), но вместо площадей пятен используются числа полярных факелов в северном и южном полушариях.
- /1-индекс крупномасштабного фонового магнитного поля Солнца. Этот индекс, называемый также «диполь-октупольным» индексом, введенный Макаровым и др. в [123], является важной характеристикой глобальной структуры магнитного поля Солнца, поскольку он связан с крупномасштабной (фоновой) составляющей активности, развивающейся в противофазе с пятенной и играющей по ряду исследований ведущую роль в генерации 11-летнего цикла.
Кроме перечисленных, в этой работе в контексте солнечно-земных связей будет рассматриваться так называемый да-индекс геомагнитной активности. Этот индекс, предложенный Майо (1972), вычисляется на основе измерений горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, наблюдаемого для 3-часовых интервалов на антиподальных станциях в Южной Англии и Австралии.
1.3. Служба Солнца и ее задачи.
Родоначальником службы Солнца в ее современном смысле следует считать Р.Вольфа, который в конце 40-х годов XIX века положил начало регулярным
-20-
наблюдениям СА. Эта международная программа задумывалась как долгосрочная. В ходе ее выполнения особое внимание было уделено корректности стыковки индивидуальных рядов индекса у разных наблюдателей на разных обсерваториях. Например, в период смены основного наблюдателя в Цюрихе предпринимались специальные меры для обеспечения однородности принятой системы. В общей сложности, программа Вольфа просуществовала в Цюрихской обсерватории более 130 лет. За это время, как уже отмечалось, были также обобщены данные наблюдений XVIII - первой половины XIX вв. В результате, к концу 70-х годов XX в. исследователи солнечной активности имели в своем распоряжении однородный 280-летний ряд цюрихского числа Вольфа Rz, который, к сожалению, был прекращен в 1980 г. (см. главу 3).
Основная задача службы Солнца - создание длительных однородных временных рядов индексов солнечной активности. Как правило, при этом подразумевается привязка к какой-то конкретной (исторически сложившейся) наблюдательной системе. Поэтому говорят о:
- цюрихском числе Вольфа;
- гринвичской площади пятен;
- числе полярных факелов в маунт-вилсоновской системе (или системе Ши-
ли)\
- радиопотоке на длине волны 10.7 см в системе Оттавы - и т.п.
В нашей работе мы будем уделять особое внимание понятию однородности рядов (см. главу 3). Это вызвано тем обстоятельством, что при восстановлении длительных версий временных рядов индексов при нарушении однородности на опорных интервалах мы можем встретиться в произведенных реконструкциях с ложными трендами систем, которые могут привести нас к далеко идущим артефактным заключениям.
Родоначальниками отечественной службы Солнца можно назвать Е.Я.Перепелкина [124], а в послевоенное время - М.Н.Гневышева, создавшего Кисловодскую горную станцию Пулковской обсерватории - ГАС ГАО. Эта станция (где, кстати, диссертант проработал 9 лет) вот уже более полувека производит регулярные комплексные наблюдения СА при практически максимально возможном числе ясных дней в году. Производство максимально полных регулярных наблюдений - еще одна задача службы Солнца.
1.4. Систематические ошибки при координатных наблюдениях Солнца.
Как мы уже отмечали, важным продвижением в Гринвичском фотоге-лиографическом каталоге по сравнению с цюрихскими наблюдениями было то, что в нем детализировалась информация об отдельных группах пятен. При этом, кроме площади, стали определяться гелиографические координаты пятен и их групп. Поскольку в нашей работе мы, в частности, будем рассматривать квазипериодические процессы, проявляющиеся в поле горизонталь-
-21-
ной скорости пятен и других объектов СА, рассмотрим, какое влияние на координатные измерения могут оказывать систематические ошибки с тем, чтобы в дальнейшем (глава 2) их скорректировать.
При распространенном варианте получения гелиографических координат [125] координаты избранной детали на фотогелиограмме первоначально вычисляются в полярной системе координат {р,/?*}, связанной с центром диска Солнца, где r/R = sinр - относительный радиус, а р*- позиционный угол детали. Широта ф и долгота / детали на Солнце в этом случае с помощью кэррингтоновых элементов опорного вращения {В, р0Д0}, приводимых в Ежегодниках эфемерид, определяются формулами:
sin ф = cos р sin В + sin р cos В cos р, (1.2)
cos ф sin / = sin psin p, (1.3)
COS ф cos / = cos p cos В - sin p sin В cos p. (1.4)
Здесь В - гелиографическая широта Земли, р = р*+р0 - позиционый угол детали в кэррингтоновой системе вращения, X = / + Х0 - кэррингтонова долгота.
(1.2)-(1.4) - система нелинейных алгебраических уравнений, поэтому перенос систематических ошибок измерений Gp,Gp,GB => ag,Gj имеет, вообще говоря, нетривиальный характер. Рассматривая этот “процесс” более детально - по [126], получаем «теорию ошибок фотогелиографа» а)-в).
а) Gp- ошибка позиционного угла.
Эта ошибка может возникать при неточном измерении суточной параллели при наблюдениях (неучет дифференциальной рефракции, суточного движения Солнца по склонению, ошибках ориентирования полярной оси инструмента на полюс - см. ниже). Полагая gp достаточно малой, рассмотрим связь дифференциальных приращений Gp=dp и G^=dy. Беря дифференциалы от правой и левой части (1.2), получаем
со$фар =-sin psin р cos Вор.
С учетом (1.3) находим:
= sin/cos Вс? . (1.5)
Аналогично, из (1.2) и (1.4) с учетом (1.5), получаем
о{ = N(B, ф, /) cos Bgp , (1.6)
где:
N(B,<p,l) = tgB-tg(pcosl. (1.7)
б) о в- ошибка угла наклона к картинной плоскости.
-22-
Эта ошибка возникает при использовании для измерения гелиографи-ческих координат специальных шаблонов солнечной сетки (“аналоговый” метод по терминологии [88]) с недостаточно мелким шагом разбиения по В. На практике это касается, главным образом, прошлых рутинных наблюдений, поскольку сейчас, мы надеемся, применение ЭВМ упростило вычисления по
(1.2) - (1.4). Дифференцируя (1.2) с учетом (1.4), а также (1.3) с помощью полученного и (1.3), имеем
a„=cos/a5, (1.8)
a, =sin/tg(paa. (1.9)
в) с# - ошибка иррадиации.
Эта ошибка может возникать из-за неучета дисторсии объектива телескопа и погрешностей измерения лимба Солнца на фотогелиограмме вследствие фотографических эффектов (при наблюдениях на больших зенитных расстояниях к тому же объединенных с дифференциальной экстинкцией). После несложных операций, аналогичных проделанным выше, получаем
_ #(Д,Ф,/) ая * М(Я,ср,/) R ’
1 sin / gr 1 М(В, cp,/)cos2<p R ’
где
М( В, ф, /) = tg ф tg В + cos /,
а N(£,9,/)-то же, что и в (1.7).
Формулы (1.5)—(1.12) определяют предел точности измерений гелио-графических координат при реальных систематических ошибках ад, Gr. Нелинейный дифференциальный характер аф, а/ в зависимости от положения детали на видимом диске Солнца и других факторов может привести при наблюдениях к появлению сложных артефактных движений. Это обстоятельство иллюстрирует рис. 1.2, на котором для примера приведено несколько таких траекторий. Траектории а) - г) и е) - результат влияния ар. Тестируемые эталонные движения заданы следующим образом. В первых четырех случаях солнечные детали двигались из одной точки во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль ф и X со скоростями V = 67 м/с (или 0.02 hd!час), “наблюдения” осуществлялись в течение дня на протяжении 7 часов в разные сезоны года, при различных В, ф, X. Вид функции Gp(t) соответствовал реальному инструменту - см. рис. 1.3. Как мы видим на рис. 1.2 а) - г), ортогональный ансамбль расходящихся в противоположных направлениях траекторий систематическими ошибками преобразуется в достаточно сложный коррелированный поток горизонтального поля скорости. Случай 1.2 е) имитирует ежесуточные наблюдения на протяжении всего прохождения детали по видимому диску Солнца, со случайным выбором времени съемки из
(Ы0)
0.11)
(1.12)