Вариации вращения секторной структуры крупномасштабного магнитного поля Солнца

2
Оглавление
В веден ие............................................... 5
Г лава I
Крупномасштабное магнитное поле Солнца................... 24
1.1. Секторная структура магнитного поля Солнца....... 26
1.1.1. Изучение секторной структуры по межпланетному магнитному полю............... 26
1.1.2. Изучение секторной структуры по магнитограммам.............................. 35
1.1.3. Изучение секторной структуры по На -синоптическим картам магнитных нолей........ 39
1.2. Активные долготы................................... 43
Глава II
Восстановление топологии нейтральных линий крупномасштабного магнитного поля Солнца в 13-м и 14-м циклах активности...................................... 48
2.1. Общие принципы построения На - карт ............... 48
2.2. Значимость ряда На - синоптических карт и их сравнение с магнитографическими наблюдениями........................
2.3. Создание синоптических На - карт за период 1987-1914 гг. 56
2.3.1. Наблюдательные данные для восстановления крупномасштабного магнитного поля................. 56
2.3.2. Восстановление На - карт по атласам Вольфера за период 1987-1900 гг............................... 57
2.3.3. Восстановление На - карт по данным обсерватории Кодайканал за период 1904-1914 гг...................^
3
2.3.4. Создание банка данных крупномасштабного магнитного поля за 13-й и 14-й циклы активности ....... 66
2.4. Свойства крупномасштабных магнитных полей в 13-м и !4-м циклах активности................................ 67
2.5. Моделирование структуры солнечной короны на основе восстановленных карт раздела полярности .............. 75
Глава Ш
Вращение секторной структуры крупномасштабного магнитного поля ...................................................... 80
3.1. Вращение двух- и чегырехсекторпой структуры за период 1975-2000 гг.......................................... 83
3.2. Особенности вращения Солнца в период с 1904 по 2000
гг..................................................... 85
3.3. Спектральная мощность вращения секторной структуры магнитного поля в диапазонах периодов 25-29, 12-15 и 8-10 суток............................................. 90
3.4. Циклы вращения секторной структуры магнитного поля Солнца и его активности .............................. 90
3.5. Изменение периодов вращения секторной структуры по данным измерения межпланетного магнитного поля........ 94
3.5.1. Связь между секторной структуры ММП и крупномасштабным магнитным полем.................. 94
3.5.2. Данные и метод анализа............................... 97
3.5.3. Поведение индекса ББРМмежпланетного магнитног1 поля............................................... 100
3.5.4. Вариации периодов вращения секторной структуры ММП................................................ 100
Глава IV
Долгоживущие структуры крупномасштабного магнитного поля и их связь с долготной неоднородностью активных образований на Солнце ............................................. 105
4.1. Выделение долгоживущих структур крупномасштабного магнитного поля Солнца но На- картам магнитных полей ... Ю5
4.2. Связь долгоживущих структур крупномасштабного магнитного поля с долготным распределением пятен ...... ^ ^
4.3. Долготная неоднородность мелкомасштабных магнитных структур, связь с долготным распределением пятен и корональных дыр .......................................
4.4. Связь вариаций вращения групп солнечных пятен с вариациями вращения секторной структуры магнитного поля Солнца............................................. * ^
4.5. Долготное распределение интенсивности спектральной короны 5303 А и 63 74А................................. 116
Заключение................................................ 125
Литература................................................ 128
Приложение................................................ 134
5
Введение
Крупномасштабное магнитное поле играет фундаментальную роль практически во всех активных процессах на Солнце. Поэтому изучение его свойств является одной из основных задач физики Солнца. Еще совсем недавно считалось, что крупномасштабное магнитное поле есть результат расширения и ослабления сильных магнитных полей. Последнее время были получены результаты, которые свидетельствуют о том, что слабое магнитное поле, вероятно, первично по отношению к сильным магнитным полям.
Для изучения свойств крупномасштабного магнитного поля важна не столько величина, сколько его распределение по поверхности Солнца. Широтно-временное распределение магнитных нейтральных линий показывает топологию магнитного поля с большей точностью, чем это можно получить из магнитограмм, особенно для областей слабого поля и в полярных зонах Солнца. Если учесть, к тому же, что ряд На - карг существенно длиннее ряда магнитограмм, то можно сказать, что На -магнитные карты играют ключевую роль в исследовании крупномасштабного поля Солнца.
Актуальность работы. Вращение Солнца и звезд играет важную роль в понимании механизма генерации магнитного поля и природы солнечнозвездных циклов. Первые попытки найти вариации вращения Солнца по трассерам пятен показали противоречивые результаты. Тем не менее было показано, что скорость вращения Солнца изменяется с фазой 11-летнего цикла, а также, что экватор Солнца вращается несколько быстрее в минимуме активности (Balthasar Н., Wohl Н., 1980).
Открытие крутильных колебаний стимулировано дальнейшее изучение дифференциального вращения Солнца. Были обнаружены зоны быстрого и медленного вращения, дрейфующие с высоких широт к экватору.
6
Установлено, что значительные области поверхности Солнца, связанные с корональными дырами, вращаются квазитвердотельно.
Вместе с тем сегодня растет понимание, что активные области являются поверхностными трассерами в противоположность крупномасштабным магнитным полям, которые простираются глубоко внутрь конвективной зоны. Возможности современных солнечных наблюдений позволяют непосредственно проследить сложное поведение крупномасштабных структур. Некоторые долгоживущие квазистационарные процессы на Солнце, связанные с циклом активности, захватывают большую часть или даже всю его поверхность. Это относится к системам зональных границ нейтральных линий, корональным дырам и полярным факелам. Форма солнечной короны изменяется в ходе цикла, отражая эволюцию нолей самого большого масштаба. Структура межпланетного магнитного поля и формирование высокоскоростных потоков солнечного ветра определяется крупномасштабными полями.
Важную роль в исследовании крупномасштабного магнитного поля Солнца играет изучение секторной структуры. Впервые существование секторной структуры было установлено по данным межпланетного магнитного поля. Для исследований межпланетного поля могут использоваться данные спутниковых наблюдений, наблюдения приполярных станций, а также анализ возмущений геомагнитных индексов. Вместе с тем существует определенная сложность в исследовании свойств магнитных полей Солнца по данным наземных или околоземных наблюдений, так как скорость прохождения магнитных возмущений от Солнца через межпланетное пространство зависит от их амплитуды.
Другим направлением в исследовании секторной структуры является анализ данных непосредственных наблюдений магнитного поля Солнца.
7
Как правило, такие исследования проводятся по данным магнитографических наблюдений обсерваторий Маунт Вилсон, в Станфорде и КрАО и охватывают период около -30-40 лет. В результате этих исследований были установлены основные закономерности вращения Солнца как звезды для 3-х последних циклов активности.
Важным свойством секторной структуры являются относительно стабильные периоды вращения. Ряд исследований, выполненных по магнитографическим наблюдениям показывает наличие постоянных периодов вращения общего магнитного поля Солнца (Ханейчук, 1999). Другие исследования по этим же данным выявили вариации периодов вращения с фазой цикла (Kotov et al., 1999). Это интерпретировалось как смещение крупномасштабных структур магнитного поля старого 11-летнего цикла и появление высокоширотных структур нового цикла. Основной сложностью при анализе вращения секторной структуры по данным магнитографических исследований, на наш взгляд, является трудность учета вклада крупномасштабных магнитных полей и полей активных областей, имеющих различные свойства.
В последнее время в качестве данных для исследования секторной структуры успешно применяются карты раздела полярности по наблюдениям в линии На. На этих картах отсутствует информация о величине, а представлена только полярность магнитного поля. Они отражают положение нейтральных линий, определяемых по физическим трассерам, таким как волокна, протуберанцы, межфлоккульные каналы и др. Ряд На - карт, созданный В.И. Макаровым с 1915 г. и продолженный на Горной станции ГАО, продемонстрировал свою значимость как для исследований вращения Солнца так и в установлении первичности роли крупномасштабных магнитных полей в формировании циклической активности (Makarov et al., 2001). Создание На - синоптических карт позволило провести исследования динамики зональных границ
крупномасштабного магнитного поля и выявить особенности переполюсовки Солнца за период -100 лет. По На - картам были исследованы крутильные волны и выявлены закономерности их распространения. Исследование долгопериодных вариаций секторной структуры по данным На - карг с 1915 по 1990 гг. позволило выделить 55-летнюю модуляцию в скорости вращения секторной структуры (Обридко, Шельтинг, 2000). В этой работе учитывался вклад от приэкваториальной зоны шириной ±50°. В дальнейшем магнитное поле пересчитывалось на поверхность источника (К=2.5Я0).
Вместе с тем связь вращения солнечной атмосферы с 11-летними и вековыми циклами активности является не до конца изученной. Исследование вращения секторной структуры Солнца может внести существенный вклад в решение этой проблемы. При этом наиболее перспективным является использование длинных рядов данных, например На - карт. Важной задачей при этом является сопоставление результатов анализа данных по синоптическим картам с другими данными, дающими информацию о секторной структуре, такими как геомагнитные индексы и магнитографические наблюдений. Увеличение длины исследуемого ряда На - карт может дать новые результаты о долговременных вариациях вращения. Поэтому в предлагаемой работе было проведено восстановление синоптических На - карт в 13-м и 14-м циклах активности, в период с 1887 по 1914 год.
Вопрос о формировании секторной структуры остается в настоящее время открытым. Вероятно, формирование секторной структуры тесно связано с механизмом формирования крупномасштабного магнитного поля. С другой стороны, секторная структура связана с долгоживущими активными долготами, проявляющимися как в распределении солнечных пятен так и других проявлениях солнечной активности. В этой связи становится важной задачей детальное исследование формирования
9
крупномасштабного магнитного поля, его долготной неоднородности и связи с активными образованиями.
Цели работы:
- восстановление структуры крупномасштабного магнитного поля за периоды 1887-1900 и 1904-1914 гг.
- исследование вариаций периодов вращения секторной структуры Солнца по На - картам крупномасштабного магнитного поля за период с 1904 по 2000 год.
- исследование вращения активных образований на Солнце и анализ связи вращения активных образований и секторной структуры крупномасштабного магнитного поля.
Научная новизна работы.
В работе получены новые данные о свойствах крупномасштабных магнитных полей. В частности, впервые:
- восстановлена топологическая структура и проведено легальное исследование крупномасштабного магнитного поля в 13 и 14 циклах активности (1887-1914 гг.);
- показано, что вращение секторной структуры магнитного поля имеет 22-лстнюю цикличность; двух- и четырехсекторная структура вращается быстрее в максимумах четных 11 -летних циклов и медленнее в максимумах нечетных циклов.
- установлено, что 11-летние циклы активности секторной структуры предшествуют на 5.5 лет циклам активности пятен.
Научное и практическое значение.
Восстановленные карты распределения полярности, дополнили уже существующий ряд На - карт. Наличие длинного ряда имеет большое значение для изучения долговременных вариаций свойств
10
крупномасштабных магнитных полей. Полученные в диссертации результаты продемонстрировали плодотворность использования ряда синоптических На - карт для изучения долговременных вариаций активности и вращения солнечной атмосферы. Найденные вариации периодов вращения секторной структуры Солнца и связь между секторной структурой крупномасштабного поля Солнца и уровнем активности может быть использована для построения моделей солнечной цикличности.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения. Общий объем диссертации 134 страницы, в том числе 46 рисунков и 98 библиографических ссылок.
Во введении определены цели работы, обсуждается актуальность, научная и практическая значимость работы. Кратко изложено содержание диссертации и основные положения, выносимые на защит}'.
В первой главе представлен обзор работ, посвященных исследованию секторной структуры магнитного поля Солнца. Секторная структура магнитного поля Солнца была обнаружена при изучении вариаций межпланетного маг нитною поля (Wilcox, Ness, 1967). Было показано, что межпланетное магнитное поле на протяжении нескольких дней имеет преимущественное направление к Солнцу или от Солнца, затем за короткое время направление меняется на противоположное. Вскоре была выяснена тесная связь между вариациями межпланетного магнитного поля и распределением магнитных полей на Солнце. Таким образом, эти исследования показали, что данные о секторной структуре межпланетного магнитного поля можно использовать для изучения свойств секторной структуры крупномасштабного магнитного поля Солнца. 'Гак анализ
11
вращения секторной структуры за пять 11-летних циклов (1926-1973 гг.) по ежедневным данным индексов геомагнитных возмущений наземных полярных станций было установлено, что секторная структура имеет переменные и многокомпонентные периоды вращения (Svalgaard, Wilcox, 1974). Одна из компонент имела период вращения 26d.8-27li.15, а вторая -около 28li.5. Было сделано предположение, что периоды вращения секторной структуры меняются с фазой солнечного цикла. Для первой половины цикла свойственны более короткие периоды ~26d.85, для второй половины выявленные периоды ближе к 27d.15.
Большой вклад в исследование секторной структуры внесли магнитографические наблюдения. Благодаря наблюдениям обсерватории?! Маунт Вилсои, Стаифордской и Крымской, была детально исследована тонкая структура вращения общего магнитного поля Солнца за последние 30 лет, с момента регулярных магнитографических наблюдений. Было показано, что скорость вращения до переполюсовки меньше, чем после переполюсовки (Heneychuk, 1999). Так для 21 цикла период вращения до переполюсовки составил 27d 39, а после переполюсовки - 26с.89. Различие периодов объяснялось тем, какие широтные зоны на данной фазе цикла вносят больший вклад в сигнал общего магнитного поля Солнца. Из анализа спектров мощности было также показано, что лишь некоторые дискретные широты в каждой полусфере дают мощные пики (Antonucci et al., 1990). Эти широты не являются строго фиксированными, они меняются с фазой цикла. Было также показано, что период вращения 2-х секторной структуры меняется с фазой цикла, как и мощность пиков.
Исследования последних десятилетий показали, что определяющую роль в формировании общего магнитного поля Солнца и секторной структуры играют крупномасштабные магнитные поля. Используя ряд
В.И. Макарова На - синоптических карт с 1915 по 1990 гг., Обридко и Шельтинг (Обридко, Шельтинг, 2000) провели анализ вариаций вращения