Введение к работе
Актуальность темы. 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. Магнитотепловые процессы в конвективной 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. Вместе с тем, влияние разнообразных проявлений магнитной активности Солнца на поток его излучения еще недостаточно исследовано.
Всесторонний анализ временных изменений основных физических характеристик Солнца, в их взаимосвязи, важен для диагностики термодинамических и магнитогидродинамических процессов, происходящих в его атмосфере и конвективной зоне. Изучение спектрально-временных закономерностей изменений глобальных индексов солнечной активности, исследование эволюции крупномасштабного магнитного поля, характеристик его вращения создают эмпирическую базу для понимания природы солнечного магнетизма. С другой стороны, знание закономерностей циклических и долговременных изменений солнечной активности дает возможность построения эмпирических моделей, на основе которых можно выполнять реконструкцию изменений магнитной активности Солнца, его светимости по данным о концентрации космогенных изотопов из природных архивов Земли.
Крупномасштабное магнитное поле Солнца во многом определяет физические процессы в атмосфере Солнца, участвует в формировании гелиосферного токового слоя, модулирует поток космических лучей. Сравнительно недавно были обнаружены новые виды глобальной асимметрии магнитной активности Солнца. По данным межпланетной станции «Улисс» напряженность магнитного поля и магнитный поток на южном полюсе Солнца заметно превышают аналогичные характеристики магнитного поля на северном
полюсе [Smith et ah, 2000]. Значительная асимметрия характерна и для межпланетного магнитного поля (ММП): наблюдения показали, что гелио-сферный токовый слой систематически сдвинут к югу относительно плоскости гелиоэкватора. Асимметрия солнечных и гелиосферных магнитных полей в настоящее время исследована недостаточно, поэтому изучение ее природы актуально.
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 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.
Одной из важнейших задач солнечно-земной физики является изучение закономерностей, определяющих поведение вертикальной /^-компоненты ММП, которая определяет геоэффективность солнечного ветра. При изучении поведения .fiz-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 глобальное магнитное поле Солнца, его изменения от цикла к циклу проявляются в долговременных изменениях /^-компоненты ММП. Обнаружено также, что существуют продолжительные периоды времени, в течение которых доминируют отрицательные значения -fiz-компоненты, сопровождающиеся сильными геомагнитными возмущениями. Поэтому циклические закономерности в поведении компонент ММП, а также процессы, приводящие к их взаимной трансформации, необходимо учитывать при прогнозировании геомагнитных возмущений.
Изучение активности Солнца имеет важный практический аспект, поскольку электромагнитное излучение, магнитные поля Солнца, потоки частиц и солнечный ветер - основные факторы, которые определяют состояние околоземного космического пространства, - космическую погоду. Таким образом, тема настоящей диссертационной работы актуальна, соответствует тематике исследований ИСЗФ СО РАН и перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является анализ циклических и долговременных изменений магнитной активности Солнца, потока его излучения. Основное внимание уделено изучению влияния асимметрии солнечной активности, крупномасштабных магнитотепловых структур на вариации глобальных характеристик Солнца и их проявления в гелиосфере. Цель исследования достигалась посредством решения следующих задач:
-
Исследование крупномасштабной организации, глобальной асимметрии солнечной активности, их проявлений в гелиосфере по данным многолетних измерений солнечных и гелиосферных магнитных полей.
-
Диагностика циклических и долговременных изменений геометрии ММП с учетом влияния глобального магнитного поля Солнца на эти изменения.
-
Оценка термодинамического эффекта магнитной активности Солнца и реконструкция долговременных изменений магнитной активности Солнца, потока его излучения на основе эмпирических моделей по косвенным данным о солнечной активности.
Научная новизна полученных результатов. Магнитные и термодинамические характеристики представляют взаимосвязанные стороны различных проявлений солнечной активности. Поэтому их совместный анализ представляет адекватный и более информативный подход по сравнению с ранее существовавшими подходами, которые рассматривали эти явления раздельно. На основе такого подхода обнаружены крупномасштабные термомагнитные структуры, связанные с активными долготами, комплексами активности и факельными полями.
Разработан универсальный метод долготно-временного анализа индексов активности Солнца, который позволил локализовать крупномасштабные долгоживущие структуры в распределении активности по гелиографической долготе и определить характеристики их вращения, используя стробоскопический эффект поведения неоднородностеи активности в кэррингтоновской системе координат. Предложенный метод предоставил уникальную возможность проследить распределение активности Солнца по гелиографической долготе в течение всей эпохи его телескопических наблюдений.
Применение метода долготно-временного анализа к временным рядам различных индексов активности Солнца позволило детально исследовать вращение долгоживущих неоднородностеи в распределении активности в циклах 20-23. На основе долготно-временного анализа среднего магнитного поля
Солнца (СМПС) обнаружены когерентные структуры в распределении крупномасштабного магнитного поля по гелиографической долготе, вращение которых характеризуется суперпозицией дискретных мод твердотельного вращения. Долготно-временная диаграмма СМПС дает новую возможность изучения эволюции и вращения крупномасштабных магнитных полей, позволяет по-новому оценить их связь со вспышечной активностью Солнца.
Обнаружен новый вид циклических изменений магнитного поля Солнца и ММП, которые проявляются в чередовании от цикла к циклу доминирующих магнитных полярностей разного знака. Обнаружены долговременные изменения геометрии ММП, угла его спирали, которые возникают благодаря медленному увеличению средней скорости солнечного ветра.
Оценено влияние магнитной активности Солнца на поток его излучения. На основе обнаруженных закономерностей в изменениях магнитных и термодинамических параметров Солнца построены эмпирические модели, описывающие поведение глобальных характеристик на большой шкале времени. Выполнены независимые реконструкции магнитной активности и светимости Солнца по данным о содержании космогенных изотопов С, Be в природных архивах Земли.
Научное и практическое значение работы. По мере накопления данных, свидетельствующих о вековых изменениях глобальных характеристик Солнца, а также о долговременных изменениях характеристик ММП, солнечного ветра и состояния околоземного космического пространства, в научном сообществе растет понимание необходимости учета многообразного воздействия Солнца на изменения геомагнитной активности, состояния 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 их взаимосвязи. Изучено влияние магнитной активности Солнца на поток его излучения в глобальном аспекте. На основе математического аппарата искусственных нейронных сетей построена эмпирическая модель, с помощью которой выполнена новая независимая реконструкция вековых изменений потока излучения Солнца по косвенным данным о его магнитной активности.
Полученные в ходе выполнения диссертационной работы методические и научные результаты существенно дополняют представления о физической
природе и закономерностях долговременных изменений магнитных и термодинамических параметров Солнца. На основе анализа изменений наблюдаемого дисбаланса магнитного поля Солнца, асимметрии полярностей компонент ММП разработан новый метод диагностики геометрии магнитного поля гелиосферы. Новый подход позволил выявить циклические и долговременные изменения геометрии ММП, угла его спирали.
Разработан метод долготно-временного анализа временных рядов индексов солнечной активности, который предоставил уникальную возможность проследить неоднородность в распределении активности Солнца по гелиографической долготе в течение всей эпохи его телескопических наблюдений. Результаты изучения вращения крупномасштабного магнитного поля с помощью этого метода в целом подтверждают выводы, полученные в предыдущих исследованиях. Тем не менее, высокая чувствительность разработанного метода позволила с большей детальностью получить картину вращения крупномасштабного магнитного поля Солнца, оценить изменения характеристик его вращения со временем.
Обнаружено, что усредненное распределение фотосферных магнитных полей, представленное в виде долготно-временной диаграммы, фактически определяет поведение открытого магнитного поля в короне Солнца на поверхности квазиисточника и характеризует секторную структуру ММП вблизи Земли. Долготно-временная диаграмма СМПС также характеризует положение линии раздела полярностей крупномасштабных магнитных полей, вблизи которых концентрируются долгоживущие структуры в распределении вспышечной активности Солнца. Результаты сравнительного анализа крупномасштабного магнитного поля Солнца, его вспышечной активности и секторной структуры ММП имеют важное диагностическое значение.
Разработанные методы и результаты сравнительного анализа солнечных и гелиосферных магнитных полей представляют интерес для контроля стабильности шкалы измерений различных видов. 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. Методика анализа систематических погрешностей между измерениями потока излучения Солнца, приведенными к абсолютной шкале разными способами, позволила оценить соотношения между различными системами измерений, количественно охарактеризовать неопределенность в оценке долговременных изменений интегрального потока излучения Солнца.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
В компонентах межпланетного магнитного поля обнаружено чередование доминирующих полярностей от цикла к циклу, которое является проявлением магнитного цикла Хейла. Обнаружены долговременные 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.
-
Обнаружены циклические и долговременные изменения .fiz-компоненты межпланетного магнитного поля, обусловленные вкладом глобального магнитного поля Солнца, его реликтовым полем. Найдены продолжительные интервалы времени, в течение которых в межпланетном магнитном поле доминируют отрицательные значения ^-компоненты и наблюдается повышенная геомагнитная активность.
-
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.
-
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.
Апробация результатов диссертации. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на семинарах отдела физики Солнца ИСЗФ СО РАН, на научных конференциях по солнечно-земной физике в ИСЗФ СО РАН, которые проходили в 2000, 2001, 2003, 2004, 2006 гг. Основные результаты диссертации представлялись на научных конференциях в Главной (Пулковской) обсерватории в 1997, 2001, 2002, 2003, 2005, 2007, 2008 гг., а также на конференции «Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности», которая проходила 28 сентября - 2 октября 2006 г. в С АО РАН в пос. Нижний Архыз. Отдельные результаты были представлены на симпозиуме MAC 223 "Multiwavelength investigations of solar activity", который
проходил 14-19 июня 2004 г. в Санкт-Петербурге, на международном симпозиуме "Space climate: direct and indirect observations of long-term solar activity", который проходил 20-23 июня 2004 г. в Финляндии, а также на симпозиуме, посвященном Международному гелиофизическому году «Новый взгляд на солнечно-земную физику», который проходил 5-10 ноября 2007 г. в Звенигороде.
Исследования, выполненные в ходе работы по теме диссертации, 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» (2005-2008 гг.), а также по интеграционному проекту Сибирского отделения РАН «Изучение солнечной активности и ее проявлений в гелиосфере и на Земле» (2004-2008 гг.).
Ряд результатов, представленных в диссертации, выдвигался в качестве важных научных достижений от ИСЗФ СО РАН по основным темам научных исследований, а также по интеграционным проектам и программе фундаментальных исследований Президиума РАН № 16. Эти результаты отражены в положениях, выносимых на защиту, в пунктах 1, 2 и 3.
Личный вклад соискателя и публикации по теме диссертации.
Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии на всех этапах работы. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, из них 32 - в научных рецензируемых изданиях, в том числе 15 статей - в отечественных журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторской 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 всероссийских 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. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
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.
