Циклические и долговременные изменения глобальных характеристик Солнца и их проявления в гелиосфере

ОГЛАВЛЕНИЕ
Аннотация.................................................................6
Введение..........................................;.........................7
В.1. Актуальность работы....................................................8
В.2. Основные цели исследования........................................... 10
В.З. Основные положения диссертации, выносимые на защиту.................10
В.4. Научная новизна.....................................................11
В.5. Научная и практическая значимость .................................. 12
В.6. Апробация результатов.................................................14
В.7. Публикации по теме диссертации........................................16
В.8. Структура и объем диссертации........................................ 17
Глава 1. Солнце как магнитопеременная звезда.............................. 24
1.1. Изменения глобальных характеристик Солнца в 11-летнем цикле
и на большой шкале времени............................................24
1.1.1. Внутреннее строение Солнца и его магнитная активность .........24
1.1.2. Термомагнитные возмущения в конвективной зоне и
атмосфере Солнца................................................ 36
1.2. Циклические и долговременные изменения пятнообразовательной деятельности Солнца ................................................ 41
1.3. Крупномасштабное магнитное поле Солнца и его продолжение
в гелиосфере......................................................... 49
1.4. Когерентные структуры в динамике крупномасштабного магнитного поля Солнца.............................................. 55
1.4.1. Частотно-временной анализ крупномасштабного магнитного
поля Солнца..................................................... 56
2
1.4.2. Когерентные структуры крупномасштабного магнитного поля
Солнца и характеристики их вращения ........................... 58
1.5. Выводы .......................................................... 66
Глава 2. Долговременные изменения дисбаланса потока магнитного поля Солнца и геометрии межпланетного магнитного поля....................69
2.1. Асимметрия машитной активности Солнца и сс проявления
в гелиосфере ........................................................69
2.2. Дисбаланс магнитного потока в сигнале среднего магнитного поля Солнца...............................................................73
2.3. Циклические изменения дисбаланса полярностей солнечных и гелиосферных магнитных полей.........................................79
2.4. Долговременные изменения радиальной компоненты межпланетного магнитного поля по косвенным данным..................................83
2.5. Долговременные изменения геометрии межпланетного магнитного
поля .............................................................. 87
2.6. Циклические и долговременные изменения 1$2- компоненты межпланетного магнитного ноля....................................... 93
2.7. Выводы .............................................................98
Глава 3. Крупномасштабная организация солнечной активности и ее проявления в гелиосфере ................................................101
3.1. Долгоживущие структуры в распределении солнечной активности
по гелиодолготе....................................................101
3.2. Активные долготы в пятнообразовательной деятельности Солнца ........105 .
3.3. Крупномасштабные структуры в распределении фотосферных и корональных магнитных полей........................................ 113
3.4. Активные долготы и северо-южная асимметрия активности
Солнца как проявления реликтового магнитного поля................... 119
3.5. Топология фоновых магнитных полей и вспышечная активность Солнца..............................................................123
3.5.1. Эволюция фоновых магнитных полей в терминах функционалов Минковского............................................125
3.5.2. Крупномасштабные магнитные поля и долгоживущие структуры в распределении вспышечной активности Солнца... 130
3.6. Крупномасштабная структура межпланетного магнитного поля и потоки протонов ................................................... 135
3.7. Выводы .............................................................139
Глава 4. Изменения потока излучения Солнца в 11-летнем цикле
активности...........................................................141
4.1. Внеатмосферные измерения интегрального потока солнечного излучения...........................................................141
4.2. Кратковременные вариации потока солнечного излучения и
баланс энергии в активных областях ................................. 145
4.2.1. Баланс энергии в активных областях............................ 145
4.2.2. Особенности анализа измерений потока излучения Солнца .....148
4.2.3. Статистические свойства вариаций потока излучения Солнца..... 152
4.2.4. Спектральные и корреляционные соотношения для вариаций
потока излучения............................................... 155
4.3. Изменения интегрального потока солнечного излучения в цикле активности ........................................................ 159
4.4. Частотно-временной анализ изменений интефального потока солнечного излучения............................................... 161
4
4.5. Крупномасштабные термомагнитные структуры в атмосфере
Солнца ........................................................... 166
4.6. Соотношение между средним магнитным полем Солнца и
потоком его излучения.............................................. 171
4.7. Выводы .......................................................... 173
Глава 5. Вариации магнитных и термодинамических параметров Солнца на большой шкале времени .......................................176
5.1. Долговременные изменения светимости Солнца: теоретические
и эмпирические основания ..........................................176
5.2. Анализ погрешностей измерений потока излучения Солнца
в разных шкалах ...................................................179
5.3. Реконструкция магнитной активности и светимости Солнца
по косвенным данным .............................................. 187
5.3.1. Соотношение между индексами пятнообразовательной деятельности Солнца и потоком его излучения ...................... 189
5.3.2. Реконструкция изменений светимости Солнца поданным о
его пятнообразовательной деятельности........................193
5.3.3. Реконструкция активности Солнца по данным о содержании космогенных изотопов............................................... 198
5.4. Выводы .............................;............................ 204
Заключение....................................................... 206
Приложение 1..................................................... 210
Приложение 2..................................................... 213
Литература........................................................ 215
5
АННОТАЦИЯ
В диссертационной работе представлены результаты исследований циклических и долговременных изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца, закономерности пространственно-временной организации солнечной активности. Приведены результаты изучения крупномасштабного магнитного ноля Солнца в частотно-временном и долготно-временном аспектах. Построена детальная картина вращения крупномасштабных магнитных структур в циклах активности 20 -23, выявлены когерентные структуры, вращение которых характеризуется суперпозицией дискретных мод твердотельного вращения. На основе анализа изменений наблюдаемого дисбаланса потока магнитного поля Солнца, асимметрии магнитных полярностей в гелиосфере, выполнена диагностика долговременных изменений геометрии межпланетного магнитного поля. Оценен вклад глобального магнитного поля Солнца в вертикальную составляющую межпланетного магнитного ноля, его изменения от цикла к циклу. Оценено влияние магнитной активности Солнца на поток его излучения. Выполнена реконструкция изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца на большой шкале времени с использованием косвенных данных о его магнитной активности из природных архивов Земли.
6
ВВЕДЕНИЕ
Четырехсотлетняя история наземных телескопических наблюдений Солнца и непрерывный мониторинг его основных характеристик, выполняемый с помощью космических обсерваторий, показали, что магнитная активность Солнца, его светимость и характеристики вращения меняются в 11-летнем цикле и на большой шкале времени. Эти изменения находятся в сложной взаимосвязи и являются проявлением термодинамических и магнитогидродинамических процессов, которые охватывают все Солнце, определяют его внутреннюю структуру и эволюцию.
Успехи гелиосейсмологии. достигнутые в последние десятилетия, позволили в значительной мере уточнить и детализировать модель внутреннего строения Солнца. В настоящее время разработана теория гидромагиитного динамо, которая в общих чертах объясняет природу солнечной активности, закономерности циклических изменений основных характеристик Солнца. Согласно существующим представлениям, поток тепла из недр Солнца, порождаемые им конвективные течения, обладающие свойством гиротропности, совместно с дифференциальным вращением приводят в действие механизм гидромагнитного динамо.
Магнитотспловые процессы в конвекгивной зоне и атмосфере Солнца охватывают весь диапазон пространственных и временных масштабов и составляют суть различных проявлений солнечной активности, ее циклических изменений. Солнечные магнитные поля оказывают многообразное воздействие на тепловой поток, блокируя или усиливая его в разных физических условиях. Солнце как магнитопеременная звезда показывает изменения светимости, которые возникают благодаря его магнитной активности.
Долговременные изменения магнитных и термодинамических характеристик Солнца воздействуют на состояние гелиосферы и проявляются в вариациях потоков энергии, массы, динамического давления солнечного ветра, а также в возрастании геомагнитной возмущенности, которое наблюдалось за последние
7
сто лет. По мере накопления данных, свидетельствующих о вековых изменениях глобальных характеристик Солнца, развития теоретических представлений о генерации солнечных магнитных полей, достигнуто более глубокое понимание природы солнечного магнетизма, его многообразного воздействия на состояние гелиосферы, околоземного космического пространства и климат Земли.
В.1. Актуальность работы
Изучение Солнца как ближайшей к нам звезды актуально с точки зрения общей астрофизики, поскольку, находясь в относительной близости от него, можно детально исследовать процессы, происходящие на его поверхности и в атмосфере. С другой стороны, изучая изменения глобальных характеристик Солнца, можно сравнивать их с поведением аналогичных характеристик звезд солнечного типа. Оба этих подхода оказались полезными и значительно расширили наши представления о возможных режимах изменений глобальных характеристик Солнца и аналогичных ему звезд. Изучение закономерностей изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца также важно с точки зрения солнечно-земной физики. Вместе с тем, влияние разнообразных проявлений магнитной активности Солнца на ноток его излучения остается еще недостаточно изученным.
Всесторонний анализ временных изменений основных физических характеристик Солнца в их взаимосвязи является важным инструментом для диагностики термодинамических и магнитогидродипамических процессов, происходящих в атмосфере и конвективной зоне. Изучение закономерностей спектрально-временных изменений магнитных и термодинамических характеристик Солнца, исследования эволюции крупномасштабного магнитного поля, его вращения создают эмпирическую базу для понимания природы солнечного магнетизма. С другой стороны, знание закономерностей циклических и долговременных изменений солнечной активности даст возможность построения их эмпирических моделей, па основе которых можно выполнять реконструкцию и прогноз изменений глобальных характеристик Солнца.
8
Крупномасштабное магнитное поле Солнца во многом определяет физические процессы в атмосфере Солнца, участвует в формировании гелиосферного токового слоя, модулирует поток космических лучей и управляет космической погодой в солнечной системе. Актуальной задачей теории генерации солнечных магнитных полей является выяснение природы североюжной асимметрии активности Солнца. Сравнительно недавно были обнаружены новые виды асимметрии магнитных и термодинамических характеристик Солнца, природа которых пока неизвестна. По данным межпланетной станции «Улисс», напряженность магнитного ноля на южном полюсе Солнца больше, чем на северном. Значительная асимметрия характерна и для гелиосферы в целом: гелиосферный токовый слой систематически сдвинут к югу относительно плоскости гелиоэкватора.
Одной из важнейших задач солнечно-земной физики является изучение закономерностей, определяющих поведение вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля Вг, которая определяет геоэффсктивность солнечного ветра. Рассматривая поведение Яг-компоненты, обычно ограничиваются анализом ее изменений на коротких масштабах времени, что необходимо знать при изучении взаимодействия потоков солнечного ветра с магнитосферой Земли. Вместе с тем, выполненный в работе анализ показал, что в ходе развития 11-летнего цикла активности существуют продолжительные периоды времени, в течение которых доминируют отрицательные значения Вг -компоненты, происходят серии сильных геомагнитных возмущений. Поэтому изучение циклических закономерностей в поведении компонент межпланетного магнитного поля (ММП), их взаимной трансформации имеет особое значение и необходимо для прогнозирования магнитосферных возмущений.
Изучение активности Солнца имеет важный практический аспект, поскольку электромагнитное излучение, магнитные поля Солнца, потоки высокоэнергичных частиц и солнечный ветер - основные факторы, которые определяют состояние околоземного космического пространства - космическую погоду. Мощные взрывные проявления солнечной активности непосредственно
9
воздействуют на функционирование систем связи, транспортных систем и представляют существенную угрозу безопасности космических полетов.
Таким образом, тема настоящей диссертации актуальна, соответствует тематике исследований ИСЗФ СО РАН и перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН.
В.2. Основные цели исследования
Основными целями диссертационного исследования являются:
1. Исследование крупномасштабной организации и глобальной асимметрии солнечной активности, их проявлений в гелиосфере.
2. Диагностика циклических и долговременных изменений геометрии межпланетного магнитного ноля с учетом данных об асимметрии глобального магнитного поля Солнца, его циклических изменений.
3. Оценка термодинамического эффекта магнитной активности Солнца и реконструкция долговременных изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца на основе эмпирических моделей по косвенным данным о солнечной активности.
В.З. Основные положения диссертации, выносимые на
защиту
1. В компонентах межпланетного магнитного поля обнаружено чередование доминирующих полярностей от цикла к циклу, которое является проявлением магнитного цикла Хейла. Обнаружены долговремешпле изменения геометрии межпланетного магнитного поля, которые проявляются в систематическом уменьшении угла его спирали, и возникают в результате медленного увеличения средней скорости солнечного ветра, составившего 4 км/с за период 1965- 2006 гг.
2. Обнаружены циклические и долговремешпле изменения Яг-компоиспты межпланетного магнитного поля, обусловленные вкладом глобального магнитного поля Солнца, его рсликговым полем. Найдены продолжительные интервалы
10
времени, в течение которых в межпланетном магнитном поле доминируют отрицательные значения Яг-компоненты, и наблюдается повышенная геомагнитная активность.
3. Обнаружено существование термомагнитных структур, связанных с активными долготами Солнца, комплексами активности и макроструктурой факельных полей. Существование активных долгот, разделенных на 180°, свидетельствует о наличии на Солнце выделенного направления, связанного с реликтовым магнитным полем, напряженность которого составляет около 0.1 Гс.
4. Оценено влияние магнитной активности Солнца на поток его излучения. На основе эмпирического соотношения между магнитными и термодинамическими параметрами Солнца построена регрессионная модель, с помощью которой выполнена реконструкция вековых изменений магнитной активности и светимости Солнца по косвенным данным о солнечной активности.
В.4. Научная новизна
Анализ магнитных и термодинамических характеристик Солнца, которые представляют взаимосвязанные стороны термомагнитных проявлений солнечной активности, является адекватным и более информативным по сравнению с ранее существовавшими подходами, которые рассматривали эти явления раздельно.
Разработан универсальный метод долготно-времениого анализа индексов активности Солнца, который позволил локализовать по гелиографичсской долготе крупномасштабные долгоживущие структуры в распределении активности, и определить характеристики их вращения, используя стробоскопический эффект в кэррингтоновской системе координат. Предложенный метод представляет уникальную возможность проследить неоднородность в распределении магнитной активности по гелиографической долготе в течение всей эпохи телескопических наблюдений Солнца.
На основе изучения магнитного поля Солнца как звезды в долготно-временном аспекте обнаружены когерентные структуры в распределении
И
крупномасштабного магнитного поля по гелиографичсской долготе. Время жизни крупномасштабных структур достигает нескольких лет, их вращение характеризуется суперпозицией дискретных твердотельных мод. Получена легальная картина вращения крупномасштабных магнитных структур в циклах активности 20-23.
Обнаружен новый вид циклических изменений магнитного поля Солнца и межпланетного магнитного поля, которые проявляются в чередовании доминирующих магнитных полярностей разного знака. Обнаружены долговременные изменения геометрии межпланетного магнитного ноля, угла его спирали, которые возникают благодаря медленному увеличению средней скорости солнечного ветра.
На основе обнаруженных закономерностей в изменениях магнитных и термодинамических параметров Солнца построены независимые эмпирические модели, описывающие поведение этих параметров на большой шкале времени, выполнена реконструкция магнитной активности и светимости Солнца по данным о концентрации космогенных изотопов из природных архивов Земли.
В.5. Научная и практическая значимость
По мере накопления данных, свидетельствующих о вековых изменениях глобальных характеристик Солнца, межпланетного магнитного поля и характеристик солнечного ветра, а также состояния околоземного космического пространства, в научном сообществе растет понимание необходимости учета многообразного воздействия Солнца на изменения геомагнитной активности, соегоянис верхней атмосферы и климат Земли. Всесторонний анализ этих данных важен для понимания природы долговременных процессов в гелиосфере, а также для разработки физических механизмов воздействия солнечной активности на состояние околоземного космического пространства и климатическую систему Земли.
В настоящей диссертационной работе разработаны новые подходы к изучению изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца в
12
их взаимосвязи, найдены новые пространственно-временные закономерности циклических и долговременных изменений глобальных характеристик Солнца и их проявления в гелиосфере. Изучение циклических и долговременных изменений глобальных характеристик Солнца и их закономерностей создает эмпирическую базу для развития физической теории солнечного магнетизма. Знание закономерностей циклических и долговременных изменений солнечной активности даст возможность построения их эмпирических моделей, на основе которых можно выполнять реконструкцию и прогноз изменений глобальных характеристик Солнца. Найденные циклические закономерности в поведении компонент МММ имеют особое значение и необходимы для прогнозирования магнитосферных возмущений.
Полученные в ходе выполнения диссертационного исследования методические и научные результаты существенно дополняют паши представления о закономерностях долговременных изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца, их физической природе- Обнаруженные закономерности долговременных изменений активности Солнца позволили построить их эмпирические модели и уточнить существующие реконструкции изменений магнитной активности и светимости Солнца на большой временной шкале по данным о концентрации космогенных изотопов из природных архивов Земли.
На основе анализа изменений наблюдаемого дисбаланса магнитного потока Солнца и асимметрии полярностей межпланетного магнитного поля разработан новый метод диагностики геометрии межпланетного магнитного поля. Новый подход оказался очень чувствительным, что с его помощью выявлены долговременные изменения геометрии межпланетного магнитного поля, которые возникают в результате медленного увеличения скорости солнечного ветра.
Разработана универсальная методика анализа временных рядов индексов пятнообразовательной деятельности Солнца, которая предоставляет уникальную возможность проследить неоднородность в распределении солнечной активности по гелиографичсской долготе в течение всей эпохи его телескопических наблюдений.
13
Результаты изучения вращения крупномасштабных магнитных структур с помощью настоящего метода в целом подтверждают выводы об изменении характера вращения в цикле солнечной активности, полученные в предыдущих исследованиях. При этом высокая чувствительность разработанного метода позволила с большей степенью детальности получить картину вращения крупномасштабного магнитного поля Солнца, изучить ее изменения со временем.
Разработанные методы и результаты сравнительного анализа солнечных и гелиосферных магнитных полей представляют* интерес для контроля надежности различных видов измерений. Весьма полезным представляется способ сопоставления кумулятивных сумм разных видов измерений с целью выявления систематических ошибок в данных, например, для контроля нулевого уровня при магнитографических измерениях.
Разработана новая методика анализа систематических погрешностей между измерениями потока излучения в разных шкалах, которая позволила оценить соотношения между системами измерений, а также количественно охарактеризовать степень неопределенности в оценке долговременных изменений интегрального потока излучения Солнца.
В.6. Апробация результатов
Результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ИСЗФ СО РАН, Уссурийской астрофизической обсерватории ДВО РАН, а также на многих российских и международных рабочих совещаниях, конференциях и симпозиумах. Список основных мероприятий приведен ниже в хронологическом порядке.
Современные проблемы солнечной цикличности. Конференция, посвященная памяти М.Н. Гпевышева и А.И. Оля. 26-30 мая 1997 г., ГАО РАН. С.-Петербург.
Солнечная активность и ее земные проявления. Конференция, посвященная памяти Г.В. Куклина. 25-29 сентября 2000 г., ИСЗФ СО РАН, Иркутск.
14
Солнце в эпоху смены знака магнитного поля. Международная конференция, 28 мая-1 июня 2001 г., ГАО РАН, С.-Петербург.
Всероссийская конференция но физике солнечно-земных связей. 24—29 сентября 2001 г., ИСЗФ СО РАН, Иркутск.
Солнечная активность и космические лучи после смены знака полярного магнитного поля Солнца. Международная конференция, 17-22 июня 2002 г., ГАО РАН, С.-Петербург.
Cosmogcnic climate forcing factors during the last millennium. International Confcrcnce-Workshop. Kaunas, Lithuania, 2003.
Климатические и экологические аспекты солнечной активности. Международная конференция 7-11 июля 2003 г., ГАО РАН. С.-Петербург.
Магнитные поля и трехмерная структура солнечной атмосферы. Всероссийская конференция, посвященная 90-летию со дня рождения член.-корр. АН СССР В.Е. Степанова. 25-29 августа 2003 г., ИСЗФ СО РАН, Иркутск.
Multi-wavelength investi vations of solar activity. I AU Symposium N 223. 14-19 June, 2004. GAO RAN, Saint-Petersburg.
Space climate: direct and indirect observations of long-term solar activity. International symposium, 20-23 June, 2004. Oulu, Finland.
Солнечно-земная физика. Международная конференция, 20-25 сентября 2004 г., ИСЗФ СО РАН, Иркутск.
Солнечная активность как фактор космической погоды. IX Пулковская международная конференция, 4-9 июля 2005 г., ГАО РАН. С.-Петербург.
Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности. 28 сентября - 2 октября 2006 г., CAO РАИ, и. Нижний Архыз.
Избранные проблемы астрономии. Конференция 21-23 ноября 2006 г., Иркутский государственный университет, Иркутск.
Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. XI Пулковская международная конференция, 2-7 июня 2007 г., ГАО РАН. С.-Петербург.
15
Международный гелиофизический год - 2007: Новый взгляд па солнечноземную физику. Международный симпозиум, 5-10 ноября 2007 г., Звенигород.
Планы исследований, выполненных в ходе работы по теме диссертации, прошли предварительную экспертизу, были поддержаны, а их результаты одобрены отечественными и международными грантами: РФФИ (№№ 99-02-
16088, 02-02-16044, 05-02-04015 и 05-02-16326а, ИНТАС 2001-0550, Миннауки (1993-2003 гг.). Часть исследований была выполнена в рамках программы Президиума РАН «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце-Земля» (2005-2007 гг.), а также в ходе работы по интеграционному проекту Сибирского отделения РАН «Изучение солнечной активности и ее проявлений в гелиосфере и на Земле».
Ряд результатов, представленных в диссертации, выдвигался в качестве главных научных достижений от ИСЗФ СО РАН но основным темам научных исследований, а также по интеграционным проектам и программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 16. Эти результаты отражены выше в положениях, выносимых на защиту в пунктах 1-3.
В.7. Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 49 статей: из них 15 опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докгорской диссертации. Остальные статьи опубликованы в журнале «Солнечно-земная физика», в сборниках трудов ИСЗФ СО РАН «Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца», а также в трудах российских и международных конференций.
По теме диссертации написано без соавторов 17 статей. В совместных исследованиях автору принадлежат, главным образом, постановка задачи, разработка методов анализа данных, интерпретация результатов.
16
В.8. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав основного материала, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 342 наименования. Работа содержит 240 страниц и 53 рисунка.
В первой главе диссертации дан краткий обзор современных представлений о внутреннем строении Солнца, его магнитной активности. Приведены результаты гелиосейсмологии, которые позволили уточнить и детализировать модель внутреннего строения Солнца. Даны сведения о локальных и крупномасштабных магнитных полях. Приведены также косвенные данные, свидетельствующие о наличии внутри зоны лучистого переноса энергии постоянного магнитного поля, которое имеет реликтовое происхождение. Отмечено, что солнечные магнитные поля характеризуются значительной асимметрией в распределении по гслио!рафической долготе, а также между северным и южным полушариями. Природа этих видов асимметрии изучена недостаточно.
Приведены данные, иллюстрирующие циклические и долговременные изменения магнитной активности Солнца, его светимости. Рассмотрены физические механизмы и основные проявления солнечной активности, благодаря которым возникают изменения интегрального потока излучения Солнца. Изменения пятнообразовательной деятельности Солнца изучены в частотно-временном аспекте. Показан нестационарный и многомасштабный характер циклических изменений солнечной активности. Анализ фазовых вейвлет-спектров индексов активности Солнца выявил иерархическую организацию циклических изменений активности. Обнаруженные спектрально-временные закономерности магнитной активности Солнца даюг основу построения эмпирических моделей, способных адекватно описать циклические и долговременные изменения солнечной активности, понять се природу.
Разработан метод долгогно-времспного анализа среднего магнитного ноля Солнца, который позволил изучить неоднородность в распределении магнитного поля по гелиодолготе и построить детальную -картину вращения крупно-
17
масштабных магнитных структур в циклах активности 20-23. Изучено поведение крупномасштабного магнитного поля Солнца в частотно-временном и долготновременном аспектах. Выявлены когерентные структуры, характеризующие дискретные моды твердотельного вращения крупномасштабного магнитного поля Солнца. Сделан вывод о том, что существование долгоживущих когерентных магнитных структур, характер их вращения невозможно объяснить, рассматривая крупномасштабное магнитное иоле только как результат диффузии магнитных полей активных областей. Возможно, что когерентные магнитные структуры обнаруживают* неоднородности присущие глобальному магнитному полю Солнца, вращение которых связано с различными слоями конвективной зоны.
Во второй главе изучены долговременные изменения наблюдаемого дисбаланса потока магнитного поля Солнца. Приведены наблюдательные данные об асимметрии в поведении солнечных магнитных полей северной и южной полярностей. Изучен дисбаланс магнитного потока в сигнале среднего магнитного поля Солнца, и выявлен вклад квадрупольной компоненты глобального магнитного поля Солнца. Обнаружена асимметрия полярностей в поведении полярного магнитного поля Солнца, которая согласуется с представлением о существовании слабого постоянного магнитного поля реликтового происхождения.
На основе многолетних измерений ММП показано, что асимметрия полярностей проявляется также в гелиосфере. Обнаружены циклические изменения радиальной компоненты магнитного поля Солнца и ММП, которые проявляются в чередовании доминирующих полярностей от цикла к циклу. Показано существование циклических и долговременных изменений геометрии ММП, угла его спирали. Показано, что крупномасштабное магнитное поле Солнца проявляется в компоненте ММП, перпендикулярной плоскости эклиптики. Обнаружены циклические и долговременные изменения ^-компоненты ММП, связанные с циклическими вариациями магнитной активности Солнца и, возможно, с его реликтовым полем. Обнаружены продолжительные интервалы
18
времени, в которых в ММП доминируют отрицательные значения Вг- компоненты, и наблюдается повышенная геомагнитная активность.
В третьей главе диссертации, на основе анализа тонкой структуры временных рядов относительных чисел пятен и чисел групп пятен изучена крупномасштабная организация магнитной активности Солнца. С помощью долготно-временного анализа исследованы неоднородности в распределении солнечной активности по гелиографической долготе, определены характеристики их вращения. Показано, что в течение всей истории телескопических наблюдений Солнца его пятнообразовательная деятельность концентрировалась в ограниченных диапазонах гелиографичсских долгот. Даже в эпоху Маундеровского минимума малочисленные пятна наблюдались вблизи тех гелиодолгот, где после его окончания образовались активные долготы.
Изучены распределения доминирующих полярностей фотосферных и корональных магнитных нолей для циклов активности 21, 22 и 23. В приэкваториальных областях Солнца обнаружены устойчивые структуры с двухсекторным и четырехсекторным распределением полярностей по гелиографической долготе. Распределение полярностей в северном и южном полушариях, как правило, различно по знаку и меняется от цикла к циклу на противоположное. Несмотря на чередование полярностей в циклах активности 21-23, наиболее устойчивые и мощные структуры разделены по гелиографической долготе на 180°.
На основе метода вейвлет-фильтрации изучены усредненные по циклам распределения крупномасштабных магнитных полей, оценены напряженности магнитного поля долгоживущих структур, суммарный вклад которых не превышает 20 мкТл. Диалогичный анализ фотосферных магнитных полей в системе координат, связанной с лучистой зоной Солнца, выявил устойчивую дипольную компоненту, напряженность которой составляет около 0.1 Гс - эта величина составляет верхний предел в оценке напряженности реликтового магнитного поля Солнца. На качественном уровне такое поведение можно объяснить сложением циклического динамо-поля, генерируемого в конвективной
19
зоне, и стационарного реликтового магнитного поля, захваченного твердотелыю вращающейся лучистой зоной.
Метод долготно-временного анализа дал возможность по-новому изучить крупномасштабную организацию солнечной активности, попять соотношение между крупномасштабным магнитным полем и мелкомасштабными проявлениями солнечной активности. Анализ вспышечной активности Солнца в долготно-временном аспекте показал, что существуют долгоживущие неоднородности в распределении вспышек по гелиодолготе. Вращение вспышечного ансамбля характеризуются суперпозицией дискретных твердотельных мод. Сопоставление долготно-временных распределений крупномасштабного магнитного поля Солнца и вспышек показало, что долгоживущие области повышенной вспышечной активности находятся вблизи линий раздела полярностей крупномасштабного магнитного ноля, следуют за их реорганизацией и вращением. Существует очевидная аналогия в структуре, эволюции и вращении крупномасштабного магнитного поля Солнца, а также и всего ансамбля вспышек. По-видимому, существует и физическая связь этих явлений. Этот вывод обобщает на область больших пространственных и временных масштабов известный результат Л.Б. Северного, согласно которому, внутри активных областей вспышки происходят вблизи линии раздела полярностей, характеризующей топологию магнитного поля активных областей.
Сравнительный анализ долготно-временной диаграммы СМИС показал, что распределение полярностей по гелиодолготе идентично распределению полярностей в экваториальной области на поверхности квазиисточника и хорошо согласуются с секторной структурой ММП вблизи Земли. Положение линии раздела полярностей на долготно-временной диа1рамме СМПС определяет геометрию нейтральной линии на поверхности квазиисточника и секторную структуру ММП вблизи Земли. На основании такого сопоставления сделан вывод о том, что распределение полярностей в долготно-временном представлении СМПС фактически характеризует поведение открытого магнитного ноля Солнца. Силовые линии открытого магнитного поля направляю!' и канализируют
20
потоки солнечных протонов, поэтому долготно-временное представление СМПС имеет важное диагностическое значение.
В четвертой главе показано, что магнитные ноля в разных физических условиях приводят к увеличению или уменьшению полного потока излучения Солнца. Изменения потока излучения на коротких масштабах времени возникают благодаря дефициту излучения пятен и избыточному излучению факелов. Для изучения медленных изменений потока излучения Солнца разработан и применен робастный метод нелинейной фильтрации. Невозмущенный фоновый поток излучения определен как наиболее вероятное состояние системы и оценен как мода на скользящем временном интервале. Изучены статистические свойства кратковременных вариаций потока излучения относительно текущей моды. Обнаружено, что плотность вероятности вариаций потока излучения асимметрична и отличается от нормального закона распределения. Показано, что природа и статистические свойства вариаций потока излучения в сторону повышения и понижения относительно среднего уровня различны.
Изучен баланс энергии в активных областях. Получена оценка отношения интегральной энергии факельной эмиссии к энергии, блокированной в пятнах. Эта оценка составляет около 40 %. Диссипация тепловой энергии факелов и магнитной сетки даст таюкс вклад в медленные изменения потока излучения Солнца, образуя переход энергии в сторону больших временных масштабов. Термомагнитные возмущения, связанные с солнечными пятнами и факелами активных областей частично преобразуются в медленные изменения, связанные с магнитной сеткой и инфраструктурой факельных полей. Поэтому в эпоху максимума солнечной активности, когда число активных областей велико, увеличивается вклад излучения магнитной сетки и факельных полей, что приводит к увеличению полного потока излучения Солнца.
Изучение изменений интегрального потока излучения Солнца в долготновременном аспекте показало существование на Солнце крупномасштабных структур, характеризующихся пониженным и повышенным излучением относительно среднего уровня, который меняется в ходе 11-летнего цикла. Наряду с хорошо известными факторами, которые влияют на поток излучения
21
Солнца, обнаружены изменения потока, связанные с крупномасштабной организацией солнечной активности. В течение циклов активности 21-23 на Солнце существовали крупномасштабные 'гермомагнитные структуры, связанные с активными долготами, комплексами активности и большими факельными полями. Тепловые возмущения, связанные с комплексами активности, показывают их вращение с угловой скоростью, отличной от кэрринггоновской. Области повышенного излучения трассируют макроструктуру факельных полей и связаны с релаксацией термомагнитных возмущений активных областей.
Крупномасштабные термомагнитные возмущения характеризуются двух- и четырехсскторной структурой по гелиографической долготе. Несмотря на то, что распределение неоднородностей яркости имеет сложный и нестационарный характер, его усреднение за весь интервал измерений показывает концентрацию областей повышенного излучения внутри интервалов активных долгот, центрированных на гелиографические долготы 60° и 230°. Среднее распределение неоднородностей яркости по гелиографической долготе имеет два максимума, разделенных примерно на 180°. Распределение среднего магнитного поля Солнца, усредненное аналогичным образом, также показывает два максимума, положение которых приходится на близкие интервалы долгот. Несмотря на различия в усредненных распределениях крупномасштабного магнитного поля и глобальных неоднородностей яркости, положение их максимумов довольно близко друг к дру!у. Такое соотношение между магнитными и термодинамическими параметрами Солнца показывает их причинно-следственную связь и дает дополнительные аргументы в пользу концепции о существовании на Солнце реликтового магнитного поля.
В пятой главе выполнена количественная оценка, которая характеризует степень неопределенности амплитуды долговременных изменений интегрального потока излучения Солнца. Показано, что их надежная оценка на основе прямых измерений проблематична и находится на пределе возможностей современных радиометров, учитывая неопределенности в абсолютной калибровке отдельных радиометров, изменения их чувствительности со временем.
22