Содержание к диссертации
Стр.
Введение. 7
Глава I. ДАННЫЕ ПРЯМЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДОГОВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ АКТИВНОСТИ И ВРАЩЕНИЯ СОЛНЦА НА РАЗЛИЧНЫХ ШИРОТАХ
Проявление солнечного цикла активности на высоких широтах <, и в вариациях вращения солнечной атмосферы.
Крупномасштабное магнитное поле Солнца
Свойства крупномасштабных магнитных полей Солнца j 4
Сравнение данных наблюдений по синоптическим На -картам с результатами магнитографических наблюдений \ у
1.2.3. Формирование зональной структуры
крупномасштабного поля по данным Н-альфа карт и
магнитографических наблюдений. 20
1.3. Ряды наблюдений солнечной короны в линиях 5303А и 6374А
1.3.1. Кисловодские ряды наблюдений спектральной короны в
линиях 5303А и 6374А 25
1.3.2. Сводный ряд спектральной короны в линии 5303А в системе
Кисловодск. 31
1.4. Столетний ряд наблюдений Солнца в линии СаІІ-К 38
Глава 2. КРУПНОМАСШТАБНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЦИКЛЫ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА
2.1. Использование предикторов солнечной активности. 42
2.2 Индексы глобального магнитного поля в минимуме активности. 47
Площадь высокоширотных униполярных областей Apz. 48
Диполь-октуполъный индекс крупномасштабного поля А. 49
Длина нейтральной линии L(t) как индекс активности. 52
Индекс сложности синоптических карт K(t). 54
2.2.5. Корреляция полярности крупномасштабного поля северного
и южного полушарий R(t) 57
Индекс числа ярких полярных точек в линии СаІІК. 58
Спектральная мощность секторной структуры крупномасштабного магнитного поля. 59
Угол наклона волокон в цикле активности P(t) 60
2.2.9. Прогноз 24-го цикла активности. 64
2.3. Долговременные изменения площади полярных областей
Солнца
2.3.1. Предпосылки для изучения долговременных вариаций 66
полярных областей Солнца.
Наблюдательные данные. 68
Результаты. 68
2.3.4. Широта зональной границы крупномасштабного поля в
период минимума Маундера. 74
2.4. Длительность полярных циклов по данным переполюсовки
крупномасштабного поля Солнца и уровень солнечной активности
2.4.1. Постановка задачи. 76
2.4.2. Данные и метод обработки. 11
2.4.3. Продолжительность полярных циклов активности. 11
Выводы по результатам анализа главы 2. 84
Глава 3. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ВРАЩЕНИЯ СОЛНЦА ПО ДАНЫМ КРУПНОМАСШТАБНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.
Вариации дифференциального вращения и крутильные волны в 86 солнечной атмосфере.
Применение ряда синоптических Н-альфа карт для изучения вращения Солнца. 94
Вариации скорости дрейфа крутильных колебаний.
Метод анализа данных. 95
Вариации скорости крутильные колебаний в период 1915- 97 1997
22-летние вариации вращения солнечной атмосферы по данным 100 Н-альфа синоптических карт
22-летняя мода во вращении секторной структуры магнитного 104 поля Солнца.
22-летние вариации вращения и мощность циклов активности 108 Солнца. 111
Связь крутильных колебаний Солнца с магнитными структурами.
Определение поля скорости солнечной атмосферы по данным наблюдений магнитных полей методом трассеров. 115
3.8.1. Исходные данные и их обработка
3.8.2. Дифференциальное вращение магнитных элементов 118
различного размера. 118
Восстановление поля скорости солнечной атмосферы. 120
Меридиональная циркуляция
3.8.5.Вариации скорости дифференциального вращения и лучевых 120 скоростей. 3.9. Модель крутильных колебаний в вековой цикл активности
Солнца. 123
Наблюдательные данные 125
Уравнения углового момента в модели. 127
Уравнения динамо. 128
Результаты 133 Выводы к главе 3.
Глава 4. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ВРАЩЕНИЯ, ИНТЕНСИВНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ СОЛНЕЧНОЙ КОРОНЫ.
Долговременные изменения интенсивности и температуры в 136 солнечной короне
Широтные волны дрейфа в наблюдениях солнечной короны. 139
Долговременные вариации вращения солнечной короны.
4.3.1. Постановка задачи 142
4.3.2.Наблюдательные данные и методы обработки. 143
4.3.3. Вариации скорости вращения спектральной короны в линии
5 303А. 144
Дифференциальное вращение короны FeX 63 74А. 152
Изменение яркости короны с высотой в 23-м цикле активности по данным наблюдений телескопа SOHO/EIT.
Корональные наблюдения на спутнике SOHO. 154
Обработка наблюдательных данных. 15 5
Результаты анализа. 156
Обсуждение. 157
4.6. Изменения яркости и нерадиальности корональных лучей по
данным SOHO/LASCO-C2.
Изменение короны с высотой по данным наблюдений К-короны. 160
Обработка данных. 161
Вековой цикл солнечной короны по наблюдениям в эпоху минимума активности. 165
Моделирование крупномасштабного магнитного поля в
радиально расширяющейся короне с конечной проводимостью. 174
Выводы к главе 4. 180
Глава 5. ПОЛЯРНАЯ И НИЗКОШИРОТНАЯ АКТИВНОСТЬ СОЛНЦА ПО ДАННЫМ НАБЛЮДЕНИЙ В ЛИНИИ СаІІ-К В ПЕРИОД 1907-2002
Методика обработки данных. 183
Долговременные вариации кальциевого индекса. 185
Вариации хромосферной сетки и эфемерных областей в линии СаІІ-К по данным наблюдений обсерватории Кодайканал. 188
Сравнение распределения эфемерных областей в линии кальция с данными наблюдений в линии Не 10830А. 197
Долговременные вариации вращения Солнца по данным наблюдений в линии СаІІ-К.
5.5.7. Метод анализа данных. 201
5.5.2. Результаты обработки данных. 201
Выводы к главе 5. 204
Глава 6. ЦИКЛ АКТИВНОСТИ В РАДИОДИАПАЗОНЕ 206
6.1. Области эмиссии и депрессии в радиодиапазоне и их связь с
элементами активности в солнечном цикле.
Методика обработки наблюдений. 207
Результаты обработки наблюдений. 208 6.2. Сравнительный анализ свойств протуберанцев в радио и оптическом диапазонах.
Анализ протуберанцев в интенсивности радиогелиографа 212 Нобеяма.
Сравнение с данными протуберанцев в оптическом
диапазоне по данным Горной станции Г АО. 214
6.2.3. Поляризации протуберанцев в радиодиапазоне на волне 17
ГГц. 216
Дифференциальное вращение атмосферы Солнца по данным радионаблюдений. 219
Смена знака магнитного поля в поляризации радиоизлучения 17 ГГц.
6.4.1. Карты поляризации радиоизлучения и магнитные поля. 225
6.4.2.Поляризация радиоизлучения Солнца и ее развитие в течение
солнечного магнитного цикла.. 228
6.5. Колебания поляризации общего радиоизлучения на волне
1.76 см как проявление цикла активности Солнца. 233
Выводы к главе 6. 238
Глава 7. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ АНАЛИЗА 240
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫХ ДАННЫХ.
7.1. Модель солнечного магнитного цикла с замкнутым
меридиональным потоком.
7.1.1 Постановка задачи. 241
Описание математической модели. 243
Результаты численного моделирования. 247
7.2. Эмпирическая модель генерации солнечного цикла 22-летними
крутильными волнами в присутствие реликтового магнитного поля.
7.2.1. Модели альтернативные динамо механизму солнечной
активности. 249
7.2.2. Наблюдательные данные. 252
Описание модели 255
Обсуждение результатов 257 Выводы к главе 7. 262
Заключение 263
Литература 267
Введение к работе
Циклическое возбуждение магнитного поля происходит вследствие
взаимодействия крупномасштабного магнитного поля с солнечной
атмосферой, вращающейся дифференциально. Интенсивность
крупномасштабных магнитных полей относительно невелика и их измерение в глубине конвективной зоны представляет сложную задачу. В настоящее время мы можем изучать крупномасштабные поля в верхних слоях солнечной атмосферы. Исследования, проводимые на основе прямых магнитографических наблюдений и по физическим трассерам линий раздела полярности, наблюдаемым в линии На позволили обнаружить глобальной характер поверхностных крупномасштабных магнитных полей. Были открыты циклические смены знака магнитного поля в полярных областях и зональная организация крупномасштабного магнитного поля в средних и низких широтах. В настоящее время существует различные гипотезы возникновения крупномасштабного поля. Согласно одной из них, называемой гипотезой Бэбкока-Лейтона, наблюдаемое крупномасштабное поле формируется в результате распада и поверхностного перераспределения магнитных полей активных областей вследствие диффузии и меридиональной циркуляции. Другой подход к происхождению поверхностного крупномасштабного магнитного поля основывается на предположении, что оно отражает крупномасштабное поле внутри 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. Форма солнечной короны изменяется в ходе цикла, отражая эволюцию полей самого большого масштаба. Структура межпланетного магнитного поля и формирование высокоскоростных потоков солнечного ветра определяется крупномасштабными полями.
В последнее время в качестве данных для исследования долговременных вариаций активности и скорости вращения успешно применяются синоптические карты раздела полярности по наблюдениям в линии На. Они отражают положение нейтральных линий, определяемых по
физическим трассерам, таким как волокна, протуберанцы, межфлоккульные каналы и др. Ряд На - синоптических карт, созданный В.И. Макаровым с 1915 по 1964 гг. 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. Создание На -синоптических карт позволило провести исследования динамики зональных границ крупномасштабного поля и выявить особенности переполюсовки за период-120 лет.
Исследование причинно-следственных связей между солнечной активностью и свойствами крупномасштабного поля в настоящее время продолжает оставаться актуальной задачей. Одним из направлений исследований является разработка индексов, характеризующих свойства крупномасштабного поля, и их сравнение с индексами солнечной активности. Получение индексов, имеющих прогностическую ценность, позволит не только улучшить прогноз уровня активности, но и может дополнить представления о механизмах генерации магнитного поля.
Другим направлением является изучение эволюции крупномасштабного поля на длительных интервалах времени и связь с долговременными вариациями солнечной активности. В данных исследованиях большую роль играет ряд синоптических На карт, длительность которого составляет более 100 лет. Синоптические На карты отражают топологию крупномасштабного поля на различных широтах. Сравнение с другими индексами проявления глобального магнитного поля, такими как индексы солнечных пятен, геомагнитной активности, спектральной короны и данных магнитографических наблюдений позволяют, определить роль крупномасштабных магнитных полей в формировании солнечной гелиосферы.
Помимо активности в средних и низких широтах, обусловленной появлением цикла активности пятен, существует и высокоширотная активность. Полярные циклы активности, как правило, присутствуют в периоды минимума активности пятен. В эту эпоху наблюдается усиление напряженности полярного магнитного поля.
Актуальной задачей является изучение вращения солнечной атмосферы на различных глубинах, а также вариации вращения на интервале времени, соизмеримом с длительностью солнечного цикла. Длительное время единственным источником информации о вращении Солнца являлись
трассеры, наблюдаемые в верхних слоях солнечной атмосферы, прежде всего солнечные пятна. Ранние данные вариации вращения Солнца по трассерам пятен показали противоречивые результаты. Открытие крутильных колебаний (Howard, La Bont, 1980) стимулировало дальнейшее изучение дифференциального вращения Солнца. Были обнаружены зоны быстрого и медленного вращения, дрейфующие с высоких широт к экватору. Помимо дифференциального вращения существует второй тип глобального осесимметричного течения в конвективной зоне - меридиональная циркуляция. Также как и дифференциальное вращение, поток меридиональной циркуляции зависит от фазы 11-летнего цикла активности. Вместе с тем сегодня растет понимание того, что активные области являются поверхностными трассерами в противоположность крупномасштабным фоновым магнитным полям, которые простираются глубоко внутрь конвективной зоны. Поэтому привлечение данных о топологии крупномасштабных магнитных полей дает возможность установления новых закономерностей вращения и выявление связи между вращением и уровнем активности.
Одним из наиболее важных параметров солнечного цикла является его длительность. Первые результаты оценки времени дрейфа крутильных волн свидетельствовали о длительности гораздо большей, чем 11-лет. Также волны дрейфа от высоких широт к экватору были обнаружены в спектральной короне и других проявлениях солнечной активности. На этих фактах возникли предположения о "продолженном "(extended) солнечном цикле (Wilson et al.1988). В этой гипотезе волны активности начинаются на широтах 40-60 за 2.5-3 года до минимума активности и дрейфуют к экватору к области образования пятен. Проследить такую волну на высоких широтах можно, регистрируя мелкомасштабные биполярные магнитные (эфемерные) области (Harvey 1993). Существует другая интерпретация полярной активности. В этой гипотезе, названной авторами "глобальный" цикл активности (Makarov V.I., Sivaraman K.R.,1989), высокоширотная волна начинается после переполюсовки магнитного поля Солнца и дрейфует к полюсам. Одним из трассеров этой волны активности являются полярные факелы.
Для анализа активности на различных широтах можно использовать различные виды наблюдений в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах. Одними из самых длительных рядов наблюдений являются наблюдения в линии СаІІК. Такие наблюдения ведутся с начала прошлого
века. Современные методы оцифровки и анализа изображений могут дать возможность исследования формирования кальциевого индекса активности как на низких, так и на высоких широтах.
При выполнении работы были разработаны методы анализа синоптических На карт, включющие разложение по сферическим гармоникам, поиск скорости вращения на различных широтах, методы обработки изображений Солнца, включающие автоматическое выделение областей проявления солнечной активности, вычисление их координат, площади и других параметров.
Основные цели работы. Диссертационная работа имеет комплексный характер и включает исследование параметров солнечного цикла по долговременным рядам наблюдательным данных, дающих возможность анализа активности на различных широтах. В работе ставились следующие конкретные задачи:
Изучение роли крупномасштабных магнитных полей в солнечном цикле, а также исследование их эволюции на масштабе времени более 100 лет.
Поиск новых индексов активности, характеризующих крупномасштабные магнитные поля и высокоширотную активность.
Исследование вариаций вращения солнечной атмосферы на протяжении более 100 лет.
Изучение долговременных вариаций высокоширотной активности.
Анализ широтных дрейфов волн активности и связи высокоширотной активности с активностью солнечных пятен.
Исследование свойств крутильных колебаний солнечной атмосферы на длительном интервале времени.
