Введение к работе
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 поля Солнца на различных пространственных и временных масштабах. Мы знаем, что характерные размеры активных образований на Солнце широко варьируют: от 10 -103 км (элементарные трубки магнитного потока, магнитные фрагменты) до 10s-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 гелиофизических систем на достаточно длительном интервале времени.
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 MAC в Гренобле продолжение Гринвичского каталога было поручено Дебреценской гелиофизической обсерватории и Кисловодской 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 долго-периодические 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 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 С А 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 сол-
нечно-земных связей. Сопоставление проводимой в работе реконструкции СА на интервалах времени от нескольких сотен до десятков тысяч лет с климатической реконструкцией может реально продвинуть нас в понимании причин, вызывающих глобальные изменения физических параметров атмосферы Земли.
Цели
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. Именно 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.
Основные положения, выносимые на защиту
-
На основе разработанной прецизионной методики HELICOR(-M) обнаружено, что главный вклад в динамику АО (собственное движение пятен) вносит комплекс пространственных мод квазипериодических 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.
-
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.
-
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.
-
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 Гневышева-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, формирующего временной профиль хэйлов-ской 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.
-
Построены 400-летние реконструкции геомагнитного аа-индекса и ди-поль-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.
-
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.
-
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.
-
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 солнечно-земных связей на длительных интервалах времени. База включает в себя оригинальные реконструкции рядов различных индексов СА (ESAI), доступные на веб-сайте .
Научная новизна.
Научная новизна работы состоит, главным образом, в следующем:
Разработана прецизионная методика определения гелиографических координат фотосферных деталей, наиболее точная среди всех, применявшихся ранее.
Обнаружен и исследован целый ряд пространственных и временных мод квазипериодических колебаний в различных процессах масштаба АО.
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 вре
менных шкалах в тысячу и более лет.
Кроме того, получены новые выводы, имеющие отношение к природе СА и солнечно-земным связям.
Практическое значение
Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что:
— Исследование колебательных процессов масштаба АО на временной шкале де
сятки минут — несколько суток открывает новые возможности для наблюдатель
ной 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, на
пример, 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 времен
ных масштабах от минут до тысяч лет являются квазипериодические колебания,
которые, вообще говоря, с физической точки зрения не могут быть представлены
как мультигармонические в силу нелинейного характера процессов.
Апробация
Основные результаты диссертационной работы, подходы, методы, модели были представлены в докладах на более чем 30 международных и всероссийских научных конференциях. Среди них:
12th Regional 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).
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.
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» (2005-2006).
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.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 90 работ (без тезисов), 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.
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.
