Введение к работе
Актуальность пройдеш. В настоящее время анализ простра ствзнной структуры токовых и магнитных полей в активных облает (АО) атмосферы Солнца представляет собой важную наг~*ЕУв и пра таческую задачу, ЗДинственным экспериментальным (наблюдательны источников информации по детальной структуре магнитных полей Солкцз являются магнитографические измерения. Фактически данк цетод регистрации магнитных полей на имеет альтернативы.Магвит графические измерения регулярно проводятся во всех крупнейи астрофизических центрах нашей страны и за рубелем. Все посмиче се программы по физике активного Солнца такзе основывается данном методе регистрации магнитных полей.Пря таком изобилии н блэдательной информации становится центральным вопрос сбработ и физического анализа магнитографических данных.В настоящее вр ця анализ магнитографического материала базируется на расчет численных моделей мзпштнах структур, отрахзщих различные физ ческие процессы, протекающие в центрах активности.Расчет числе еых моделей позволяет восстановить детальную структуру распред левая векторов магнитного поля и электрических токов в больп объемах солнечной атмосфера, изучать индивидуальные особенное этих стру ктур,использовать полученную информацию при анализе ф эических процессов,протекакцнх в центрах активности.Расчетц чя
энных моделей не только дополняет информацию пряллг измерений вгнитвых полей на магнитографе, но а расширяют области их првк-аческого применения в физике активных явлений на Солнце.В отде-ьных случаях удается также упростить, автоматизировать обробот-у наблюдательного материала.
К сожалению магнитографические измеренля позволяют изучать труктуру магнитных полей только в пределах солнечной атмосфера. иже фотосферного уровня, в недрах Солнца изучение эволюции маг-итных структур с течением времени затрудняется отсутствием пря-ых измерений. В этих условиях приходится ограничиваться разра-откой теоретических численных моделей, основанных на упрощении еальных физических процессов, определящпх динамику эволюции рупномасштабных магштных структур в недрах Солнпа.Няиболее поной и разработанной в настоящее время является магнитогазодина-ическая модель, отражавдая поведение магнитных полей с малыми яачениями напряженности, подверженными динамическому воздейст-ию конвективных течений. Эта модель позволяет проанализировать ффект Динамо гевврапии магнитных полей данного типа (работы Па-ікера Е., Зельдовича Я.Б. и др.). Разработка данной модели является крупним вкладом в теоретические исследования динамики глс-іяльтш магнитных полей в ведрах Солнца.
Исследования динамики крупномасштабных магнитных полей с ысокими значениями напряженности, не подверженных влиянии конвективных течений, до настоящего времени фактически не проводи-шсь, поскольку разработка моделя реалистического евмосогласова-кого Динамо исключительно сложна как со сторони физического ана-шза данного явления, так и со стороны численного моделирования:
- б -
математической постановки задачи, разработки алгоритма численного решення, его математического обоснования, т.е. по всем пукк там проведения вычислительного эксперимента.
Как показал С.Чандрасекар, последовательное изучение это проблем на первом этапе требует не разработки каких-либо коккр тных численных моделей данного явления, необходимо псследоват: устойчивость глобальных магнитных структур для всего диапазон глубин внутренних слоев Солнца. Подобные исследования позволяю установить определенные внешние ограничения,определяемые целпко внутренний строением Солнца и налагаемые на любую конкретную чи слєннув модель, описывакцуа динамику глобальных магнитных поле: в кедрах Солнца. Следовательно, исследование проблемы устойчиво ста глобальных магнитных структур является составной частью иа тематического обоснования конкретных численных моделей по анали зу данного слогного феномена. Теоретические основы исследована данаса проблема залсгена трудами выдавшихся астрофизиков: Чанд расекзроа С, Каулингоы Т., Сыроватсяим СИ. и др..
Даль дассерташовкой работы. Цельа настоящей работы является разработка и математическое обоснование численных моделей по расчету в рамках вычислительного эксперимента пространствен нс2 структури магнитных полей в активных областях солнечной ат мосфара, гаяюльзущих в качестве входной информация магнитографические данные. 11а основе численного решения стандартной слете ш уравнение недисезпатизной магнитно*: газодинамики (ШГД) в работе тзкге исследуется проблема устойчивости глобальной струн тури догштшх полей на различных глубинах внутренних слоев Сс Еца.
В более развернутой форме цальа кссяадовзппЗ пзстопяэЯ ра-
юты является: . Вопросу изтеиатаческого обоснования йлгерптшж ргсчатз *ес-
ЖЕКЫЛ Н0ДЄЛЄЗ, ЕЛфЙСО 1ГСЯ0ЛЬЗУЭ12И В ЯЗСТ0ЯЛ{Э5 ВрвїЯЇ їїрії 2ЕЯЛИ-
»2 игпктогрсфпескгл даптаїх (потошиальп-и,Сесс^лоЕих а селсе^г. гагігітніїл структур): разработка рагснзя r-sssE'ix ездзч тгзіа Нзй-2кэ для расчета линзйглх бессзясЕ?и; п поїенгигалкплх иагптгснз. юлгй с Есподъзсггнкга кппрптэ рядов Оуръг, оЗгбцпгсзго ран-ээ зр-оэадйгл-ллз нсследсвсют по чнслгшплі моделям данного тлда.'нате-І2ТП.ТЄСК02 обоснование полуденного рзігзіпл; гздзлэп::з соеозегх гс<лсз погрешностей раската кодзлеЗ по пр-здлеганнсіу яягсріяку п
СЛЄДС32ЕИЗ ПУ1'ЄЙ El устрЕЕЭНПЯ ШЛЇ рзбСТЗ С КСїЕрЗТЕйЛЇ ИаГК::-
іюй атаосфэра.
4.Вцд2лекпэ в пределах копеэггсзесЗ зони деепаЗопоз глуЗлн, спо-co6ehz удерггвать, згкаплзгагъ кагагтакэ по&я; Еослэдсзгнхгз ^пс-езенїіх гсрсхтерїсст; лгЕеСкгь каягбанЕй йгпггйкл полей, рзнлн-sysisc на ден:23. глубднзз.; спсздзлэйеэ йрхгйкэспих значений из-
терн устойчивости глобальных патентных структур в ведрах Солнца по различным физический гшраметраи;о5суаденае вопросов использования этой информации для математического обоснования задач более полного детального численного моделирования физических процессов, протекающих в недрах Солнца; физическая интерпретация и сопоставление расчетных результатов с конкретными наблэдательны-1Ы дадшми по феномену солнечной активности.
Научная новизна работы.
В диссертации пе только проведено математическое обосвоза-Ш8 алгоритиоз численных ыоделей, широко используе&ых в настоящее вргия при анализе структуры ыагннтЕых полей на Солнце (потенциальных и бессиловых), но такге разработаны гдтсрташ расчета принципиально новых численных иоделеа иатнчтшх полей на базе аагннтогрзфаческих данных: модель с учетом вариации глубин образования спектральных лянии.используеші для записи аагнитных полей на магнитографа; расчет структура электрических токсв на базе iaoroypoBHDEaz измерений трех кошонент вектора магнитного поля иагаатографсы.
На основании численных расчетов, ешюлеєееьк в приближении ШГД с использование!! стандартной численной модели внутргісіего строения конвективной зоны, в работе впервые Ецделгкы четыре области различных типов колебания магнитных полай (линейных п нелинейных) с указанной положения их ірзшщ б пределах конвзктав-нои зона. Исследованы специфические особенности лплейних колебаний иагЕитшх полей в пределах выделенных областей; рассчитана численные распределения критических значеній нзпрязенноста иаг-шггного поля п соответствующих значений температура, плотное га
зисрогеннсЗ плазмы в предела* взделенша зон-Ргссчитапа дкапязо-и пзіїзнєвпя зтнх пзргілетроз, в прадолзх іояорнх реализуются ля-їєйшє колебания (цагннтаке поля нэ теряет устса«півсстя своего
ІОЛСК8ННЯ).
фактическая ценность проделвиноЭ ргботы. '«. Разработка математического рззгезяя краевой вада^гі типа Еейкз-ан для расчета ДЇЕЄППНХ беССІІЯОЗКЕ и потенпдалкых ггзпзгтпіп полез на базе їгзпиїтогргфзчесіиз: дгниах практически ззпзртзе? ио-сдєдоззем по разработке п сбоснозгпоэ чгсяани» иоделэЭ ДЕННОГО типа. Еаработанн объективные крнтзрла по сспсставлешзз л азаЕггу конкретных аягоргтксз, жжолъзуегла па практике, стала еогйсгссй систематизация кспользуека кзтодоз репептгя дгнгзлс задач. Разр'э-ботан простоЗ.блззкай к слтпігздьпсіїу.чисггЕ^З алгсрпти для создания унгзгрсальЕого пакета nporpjssr, удобного для лкрогссго пояь-зовЕная на калонссзых ЗБУ.
2. На база данного алгсрлт^з разт:::5стаз ^сленггй изтод апзлпзэ на потекцззлъЕсеть одпоуроЕнеззс п кжгоурсзнзпа кЕїзрзязц каг-Еятографз, поэволяасзй оперативно получать дзтзльгіуз;; ігнфориацет по тонкой структура претепзнзл злептрггеоскга топов, следить зз особенностях взолецепї тохозах струхпур sa зреия ргззхткя активных областей. Расчеты, заполненные по еозкпзяеы кЕбдгздатєльЕЗЗХ данный,показали возможность регкстрапнл по дзкпоиу иетсду шого-
ЧИСЛЄНЕНХ СДЇ52ПЄСКПХ Пр0Ц2СС03 В aKTSSSSX ОбЛЕСТЯХ, ССПрОЗОКДаЭ-
цпгся образованием хфудноаасгггабпих тохошх структур з солнечной атмосфере. Расчеты по данноігу кзтоду удалось организовать в фор-ке, Екслпггащєй элементы рудного труді. Пра пригой выводе кнйор-нгцян с ігагнатогрвфа ез 3325 дгяшЗ &з'тод нсгзт найтя пркнзнензе
в слуябе оперативного вспншечного прогноза и других областях физика активного Солнца.
3. Разработка математического решения обратной в прямой задач по расчету силовых магнитных структур с прииеЕениеіі аппарата рядов Фурье и энергетическим методом позволили решить центральную проблему численной обработки магнитографических данных: использование при расчете численных моделей всей информации многоуровневых измерении магнитографа трех компонент вектора магнитного поля, т.е. удалось рештъ задачу полного моделирования наблюдательных данных магнитографа. Проводимый по данному методу численний расчет силових магнитных конфигурации позволяет определить детальную структуру распределения векторов плотности электрического тока и сил Лоренца на различных уровнях по высоте солнечной атмосферы. Эта информация является входной для решения различных задач фізики активного Солнца: структурный анализ эвериедовских течений солнечное плазмы в пределах активных областей; проблемы устойчивости и энергобаланса солнечных пятен и др. .Использование аппарата рядов Сурье упрощает проведение подобных расчетов.дела-ет их доступными для широкого пользования. А.Анализ колебательной структуры магнатках полей в пределах глубин конвективной зоны, причин ж особенностей потери устойчивости магнитных полей в областях линейных колебаний созволяет установить ряд внешних ограничений, налагаемых на процесс временной 8В0ЛИЦИИ глобальних магнитных полей в кедрах Солнца,и часто столь жестких, что фактически этой информации достаточно для качественного понимания отдельных особенностей развития стандартных циклов солнечной активности,данаїшки эвошациа активных областей в
солнечной атмосфере и других вопросов. Ряд полученных расчетных результатов мотет бкть использован в качестве необходимой входной информации для задач полного строгого численного коделирона-
ЕНЯ фГТЗИЧеСКНХ ПрОЦеССОВ, ОПредеЛЯЕЮТ фЄЕОиеП ЕКТІШНОГО Солнца.
Структура и ооъеи диссертанта»
Диссертация состсот из 5-тп глав основного текста (282 стр.). введения, заключения, прнлогенпя к 1V-Q главе и списка литературы, вкллчахдего 317 наименования. Работа содерггт 113 рисунков. Обпрй объем диссертации составляет 367 стр. изпто-пиского текста.
На защиту выносятся следугщие результата работы, полученные непосредственно автором,либо под его научиш руководство!!:
-
Разработан алгоритм ресекш обратной задача, некорректной по Адвмару. расчета пространствепнсЗ структури электрических токов в активных областях на баге многоуровневых пзкеренгЗ мзгЕхгнсгб поля кз мзгЕктогргфэ. Этот алгоритм, пстользущнз аппарат рядов Фурье, обобщен на регенне прямой задачп расчета склонах магнат-eux конфигураций по известному распределен^) электрических токов, Ргзработан алгоритм расчета салонах ігптеїтннх структур,по-зволяеевй учитывать варгазцкэ глубгн образования спектральных лппгй, Еспользуеиїх для зншісн магіштнах полей па шгнктографз. ПроведеЕо математическое сйсснозавпе продлозанного алгоритма: для сфориударсЕЗЕНса задача энергетнчэсЕШ^ Методом доказана теорема сзпцествоваЕяя и единственности реаензя.
-
По математическому сбоснованяз алгоритма ратания краевой задача Т2па Не2мгиа для линейных бессзловнх п потенцязльпнх иаг-esthmx подай гэторсм получена аналитические формула, спЕснгаэ-
щае спадание напрякенности бессиловых магнитных полей вдали от источника при использовании в расчетах иагнитогргыи с разбаяан-скроваккаш потохана магнитного пола; разработаны рексиендацка по проведению приближенных расчетов потенциальных и Сессиловых магнитных полей,определенна погрешностей счета при работе с реальными магЕитограюдщи; проведены тестовые расчета, ялластри-ругщие корректность полученных результатов.
-
Разработан численный метод анализа на потенциальность одноуровневых и іеіогоуровкевах намерений магнитного поля на стандартних іізгнктографзх. В качестве конкретных примеров, иллюстрации гозмогаостей прэдлозенного штодз проведен анализ временной эво-люц:зї токовых и магнитных полен для активных областей .1 402 за 1963 г., й 207 зз 1969 г.. Не Math S740 за 1963 г., больного униполярного солнечного пятна по шогоуровневыи йзііеревилм ЫЗГ-шлного поля на вехтор-шгнитографе Кршскоя астрофизической . обсерватории (НрАО).
-
В адиабатическом приближения на база численного решения система уравнений НМГД в работе детально проанализирован и опасан физический иехгниза пульсаций магнитных полей, всплывающих с малых глубин конвективной зона.По временной развертке колебательного процесса показана принципиальная нелинейность колебаний в выбранных режшах. Установлене наличие определенных локальных экстреауиов з области изменения начальних параметров колебатель вого процесса.
-
Сучатои реализации различных типов колебаний магнитных полей (линейных и нелинейных) установлено разделение конвективноз зоны на четыре области с различными типаыа колабаниа н указана
полсеєекє их границ в пределах конвективной зоны. На основании численных расчетов, выполненных е приближении НИГД, ттс:,^ .:: : структурный анализ первой области лилейных колебаний (р~ ;ізк~п-пноннсй зоны)'.рассчитаны распределения критических значений напряженности и соответствующих значений температуры, плотности газа с вкорогеняки иагнятнын поле;,; для всего диапазона глубин исследуемой области.
6. Проведен структурный анализ второй области линейных колебаний ьезгектных полей (зоны действия солнечного Динамо): рассчитаны распределения критической напряженности иагпитного поля п соответствупсих значений температуры, плотности плазма с вазро-2єеньй магнитный полем для всего диапазона глубин. Оценена кнз-ргоешсость ксследуеисй области. Цровздека расчеты, пеззоллггтле по значениям критической напряженности па различных глубинах релаксационной зоны определить начальные значеная нктряганностн поля в различных точках сброса из зоны Динамо. 7.Оценено влияние конвективных течехпгй на лпнецизу лйигйных. колебаний цзгнитеых полей на различных глубинах копвектизксй зоны: в приближения однородного пограничного слоя рассчитаны критические значения нспрягенности изгкитных полей, Еыынваеыых конвекцией с различных глубин подфотосфарпых слоев Солнца, рассчитана соответствущие значення наярягенЕостя Фокоеых ' їйгептних полеЬ на уровне фотосфері.
Апробация работы.
Основные результаты проводпшх исследований регулярно до-.кладывались на всесоюзных сколах-сеїзшзрах по вячЕсягтельпаа кетодзи, прсгсдіЕЕХ под руксзодствса Екедёнпка Ceiiapcucro A.A.,
на всесоюзных школах-семинарах "Математические подали близяего космоса"; нг научных сеішнарах з Красноярской государственной университете, Вычислительном Центре НФ СО РАН, Кршскон астрофизической обсерватории, в ГАО РАН ( г. Санкт-Петербург ), в ИЗУйРЛН (г.їроицк), в ГДШИ ІЙИГ (г.Мсеква), з ИСЗФ (г.Иркутск), в ГаО Украинской АН (г. Киев), на совещаниях рабочей грушш "Специальные теоретические и экспериментальные исследования солнечной плазш" при секции "Солнце" Астрсношческого Совета АН СССР: в декабре 198) г. (ИЗШРДН г.Троицк), в декабре 1983 г. (Радиоастрономическая обсерватория АН Латвийской ССР, г.Рига); ня 5-оу всесоюзном селинаре рабочей группа ''Волны в атмосфере Солнца" (шаль 1932 г., г.Иркутсх): на всесоюзной совещания сек-вди "Солнце"Астрономического Совета АН СССР (г.Ашхабад,199Ст.), нз иездуЕароднсії сЕшознуиз по аналїізу данных проекта "Год Солнечного Максимума" (Крыиская астрофизическая обсерватория, 1S81 г.); на международном сеюшаре КАПГ по теории солнечных вспышек (сентябрь 1982 г., г.Рига); на 11-ом Региональной совещании по фізика Солнца (сентябрь 1983 г., г.Дебрєцєа, Венгрия); на конференции памяти академика Северного А.В. (Крымская .астрофизическая обсерватория, апрель 1393 г.).
По теке диссертации, опублккозано 29 статей в центральной печати.
