Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Экстремально низкая солнечная активность 10
1.1 Уточнение моментов времени для минимумов циклов солнечной активности 10
1.2 Правило Вальдмайера и гипотеза о потерянном солнечном цикле 17
1.2.1 Данные 18
1.2.2 Правило Вальдмайера для различных индексов 18
1.2.3 Потерянный цикл в начале минимума Дальтона 22
1.3 Выводы 27
Глава 2 Экстремально сильные возмущения 28
2.1 Введение 29
2.2. Формирование базы данных экстремальных событий 29
2.2.1 Реконструкция экстремальных событий на основе связи Ар и Аа индексов геомагнитной активности 33
2.3 Статистические свойства экстремально сильных возмущений 35
2.4. Статистика времени рекуррентности экстремальных событий 39
2.4 Выводы 43
Глава 3 Экстремальные события в 23м солнечном цикле 44
3.1 Солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23-его солнечного цикла 44
3.1.1. Данные и анализ 44
3.1.2. Выводы 54
3.2 Экстремальные события октября-ноября 2003 года 55
3.2.1. Ретроспективное сравнение рассматриваемых событий 56
3.2.2. Характеристика сильных геомагнитных и ионосферных бурь в октябре-ноябре 2003 года 64
3.2.3. Солнечные и гелиосферные явления, ответственные за сильные геомагнитные возмущения в 2003 году 66
3.2.4. Выводы 73
3.3 Экстремальные события 2004 года 74
3.3.1. Солнечные наблюдения 74
3.3.2 Динамика солнечной активности по данным наблюдений комплекса СПИРИТ на ИСЗ КОРОНАС-Ф 80
3.3.3. Наблюдения гелиосферы 86
3.4 Отдельные события 2003-2006 годов 92
3.5 Глобальная асимметрия в период экстремальных проявлений солнечной активности 97
3.6 Выводы 105
Заключение 107
Список литературы 109
- Уточнение моментов времени для минимумов циклов солнечной активности
- Реконструкция экстремальных событий на основе связи Ар и Аа индексов геомагнитной активности
- Характеристика сильных геомагнитных и ионосферных бурь в октябре-ноябре 2003 года
- Динамика солнечной активности по данным наблюдений комплекса СПИРИТ на ИСЗ КОРОНАС-Ф
Введение к работе
Уровень Солнечной активности, солнечный ветер, магнитосфера, ионосфера и термосфера существенно влияют на функционирование и надежность космических и наземных техногенных систем, воздействуют на нашу жизнь и здоровье [1,2].
Известно, что солнечная активность и связанные с ней процессы в ближнем космосе испытывают некоторые циклические изменения, на которые бывают наложены сильные и трудно предсказуемые спорадические возмущения. Наиболее хорошо исследованы одиннадцатилетние циклы, которые прослеживаются на протяжении многих столетий.
Одной из самых замечательных особенностей Солнца являются почти периодические, регулярные изменения различных проявлений солнечной активности, т.е. всей совокупности наблюдаемых изменяющихся (быстро или медленно) явлений на Солнце. Самым долговременным индексом солнечной активности считаются солнечные пятна. Ещё в 1848 году Вольф показал, что относительные числа солнечных пятен, претерпевают циклические колебания, причём средняя длина этого цикла составляет 11,1 года. Несмотря на то, что периодичность солнечных циклов обнаружена довольно давно, остаётся открытым вопрос о том, что считать минимумом солнечного цикла. В течение времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько необычных периодов пониженной солнечной активности. Один из таких периодов - минимум Дальтона на стыке XVIII - XIX столетий, с которым связана так называемая фазовая катастрофа в солнечных циклах. Экстремально низкие значения максимумов трех циклов этого периода привели даже к дискуссии о «потерянном цикле» [3-5], инициированной в значительной мере фрагментарностью наблюдений за эти годы. Косвенные данные указывают, что экстремально низкая активность проявлялась, по меньшей мере, несколько раз в форме так называемых Grand-мттмумов (Маундера, Шперера, Вольфа). Самым известным из них является ближайший по времени Маундеровский минимум (1645-1715гг.), приходящийся на эпоху ранних телескопических наблюдений [6].
В настоящее время изучение Солнца и солнечно-земных связей ведется как наземными, так и космическими средствами наблюдений. При этом за последние годы наиболее значительные результаты достигнуты здесь благодаря новым
космическим исследованиям на таких аппаратах, как GOES, SOHO, TRACE, КОРОНАС. Многие виды наблюдений возможны только из космоса и этим определяется незаменимое место космических исследований в физике Солнца и в солнечно-земной физике. Все возрастающее понимание влияния факторов «космической погоды» на геосферу и различные сферы человеческой деятельности определяет практическое значение исследований в этой области.
Исследование экстремально сильных возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере представляет большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Все наиболее сильные гелиосферные и магнитосферные возмущения имеют свои причины на Солнце, которые часто ассоциируются с теми или иными наблюдательными признаками и проявлениями солнечной активности.
После наблюдения в 2003-2006 году экстремальных по своей силе возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.
Основной целью диссертационной работы является анализ накопленного материала об условиях экстремально сильной и слабой солнечной активности, выяснение их причин и движущих сил. Поставлена задача ретроспективного исследования и детального рассмотрения отдельных ситуаций и событий, наблюдавшихся в цепочке солнечно-земных связей.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что данное исследование позволяет лучше понять как отдельные ситуации и события на Солнце и в гелиосфере во время экстремально высокой солнечной активности, так и глобальную картину изменений и асимметрии Солнца в эти периоды. Проведённое в данной работе исследование необходимо для более детального описания циклических процессов на Солнце и для прогнозов следующих циклов.
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях:
35th COSPAR Scientific Assembly (Paris, France, 2004), Ломоносовские чтения 2004, X Пулковская международная конференция "Солнечная активность как фактор космической погоды" (Санкт-Петербург,2005), Всероссийская конференция "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности" (г. Троицк, ИЗМИРАН. 2005), X Пулковская международная конференция по физике Солнца, "Квазипериодические процессы на Солнце и их геоэффективные проявления" (Санкт-Петербург, 2006г.),
Всероссийская конференция "Многоволновые исследования Солнца и современные проблемы солнечной активности" (Нижний Архыз, 2006 г.) Конференция-совещание по программе ОФН-16 "Плазменные процессы в Солнечной системе", (ИКИ РАН, Москва,2007 г.). Основные результаты диссертации достаточно полно представлены в 9 публикациях [7-15], в том числе в 6 рецензируемых журналах и в 3 трудах российских и международных конференций.
Структкра работы: Диссертация состоит из 3 глав, а также введения и заключения.
В первой главе анализируется "Экстремально низкая солнечная активность" Вычислены значения минимумов циклов солнечной активности по диаграммам бабочек Маундера для каждой полусферы Солнца на основе метода кластеризации. Работа проведена для последних 12 циклов. Показано, что вычисления минимумов отдельно для каждой полусферы Солнца является более целесообразным для более детального понимания поведения солнечной активности. Так, например, для самого мощного 19 солнечного цикла определяющую роль пятнообразования сыграло северное полушарие Солнца. Также показано, что нарастание числа групп пятен происходило в среднем на полгода быстрее в южном солнечном полушарии.
Подтверждается и обобщается правило Вальдмайера об обратной зависимости между продолжительностью солнечных циклов и их амплитудой на разных временных шкалах (с 1500 года по 2005 год). В работе используются три индекса солнечной активности:
Число Вольфа (W): W=k(f+10g), где f - общее число пятен на видимой полусфере Солнца, g - число групп пятен, к - коэффициент (обычно < 1), учитывающий суммарный вклад условий наблюдений, тип телескопа, и приводящий наблюдаемые величины к стандартным цюрихским числам. Сглаженные числа Вольфа даны на сайте .
Группы солнечных пятен (GSN ряд- Rg). Этот новый ряд, введённый Хойтом и Шатеном в 1998 [16], состоит из 455242 наблюдений от 463 наблюдателей, т.е. наблюдений на 80% больше, чем во временном ряде чисел Вольфа. Данные по группам солнечных пятен представлены на .
3) Суммарные площади солнечных пятен S(t) считаются физически более естественным индексом, связанным с крупномасштабным потоком низкоширотного глобального магнитного поля Солнца. База данных представлена на ]
Учитывая эти новые индексы солнечной активности, подтверждается и уточняется эмпирическая формула Вальдмайера для разных временных рядов с использованием новых методов анализа.
В течение времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько необычных периодов. Один из таких периодов - минимум Дальтона на стыке XVIII -XIX столетий. Годы 1790-1794 в начале минимума Дальтона были плохо закрыты наблюдениями солнечных пятен. Исходя из этого, Усоскин и др [3-5] предложили гипотезу, что один солнечный цикл был потерян в начале минимума Дальтона в течение 1790-ых. Они предположили, что солнечный цикл № 4 по цюрихской нумерации (наиболее продолжительный за последние 300 лет) - фактически суперпозиция двух циклов: нормального цикла 1784-1793, и нового слабого цикла 1793-1800. Причина необходимости введения дополнительного цикла объясняется тем, что тогда разрешается так называемая фазовая катастрофа. В диссертации проанализирована гипотеза о потерянном солнечном цикле с точки зрения правила Вальдмайера и показано, что введенный гипотетический цикл заметно нарушает это надежно установленное правило, которое действует с 1500 года для разных индексов солнечной активности.
В главе 2 предпринята попытка статистического анализа экстремальных возмущений солнечной активности, представляющих большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Состояние космической погоды в настоящее время оценивается по пятибалльной шкале NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) по следующим параметрам:
1) рентгеновский балл (R1-R5)- максимальная интенсивность
электромагнитного излучения Солнца, измеренного на околоземной орбите в
диапазоне мягкого рентгеновского излучения 1-12,5 кэВ, на длине волны - 0,1-0,8
нм. Воздействие максимальных интенсивностей приводит к внезапным
ионосферным возмущениям, нарушениям радиосвязи. В данной работе используются
баллы R4-R5;
2) солнечные протонные события (S1-S5) - измерение потока протонов на
околоземной орбите, в единицах pfu (число протонов, в данном случае с энергией >
10 МэВ через 1 см2 за 1 с в стерадиане). Воздействие событий баллов S2-S5 приводит к нарушениям радиосвязи на полярных трассах, а также радиационному риску космонавтов В работе используются события S3-S4, так как события балла S5 пока не наблюдались;
3) геомагнитные бури (G1-G5) - возмущение геомагнитного поля, как результат воздействия на магнитосферу потока солнечной плазмы с повышенной плотностью, температурой, скоростью частиц и южной ориентацией Bz-компоненты межпланетного магнитного поля. Баллы определяются по значениям трёхчасового геомагнитного индекса Кр. В работе используются события баллов G4-G5.
Таким образом можно было бы определить экстремальные события как большие мощные вспышечные явления, следствием которых в околоземном космическом пространстве является осуществление максимальных возмущений во всех трех позициях, т.е. R5, S5, G5. Однако, за весь период наблюдений, начиная со знаменитой кэррингтоновской бури 1 сентября. 1859 года событий баллов R5, S4 (т.к. событий с S5 не наблюдалось), G5 всего два: август 1972 года и октябрь 2003. Поэтому в данном исследовании событие называется экстремальным, если хотя бы один из параметров R, S, G достигает баллов 4 и 5. В процессе работы над диссертацией была составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий при таком определении СІ859 по 2006 год
Несмотря на то, что статистика экстремальных событий невелика, в работе рассмотрено, как ведут себя отобранные 85 событий с точки зрения распределения по баллам R,S,G. Была построена карта плотностей событий в плоскостях SG, RG, RS соответственно для разных баллов фиксированных параметров и показано, что несмотря на сложившееся мнение о многообразии вспышек и корональных выбросов массы без их дальнейших проявлений в околоземном пространстве, а также сильных геомагнитных бурь без значимых проявлений на Солнце, статистика таких событий для экстремальных возмущений незначительна. Таким образом, несмотря на небольшую статистику экстремальных событий, наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем основным параметрам.
На спаде последнего 23 его солнечного цикла в 2002-2006 годах, Солнце проявило экстремальные по своей силе возмущения, которые проявились как в гелиосфере, магнитосфере, так и на Земле. Таким образом, стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.
Поэтому в главе 3 "Экстремальные события в 23м солнечном цикле" даётся детальное описание экстремальных проявлений солнечной активности за период с
1996 года по 2006 год на основе новых данных со спутников SOHO, TRACE, КОРОНАС-Ф, АСЕ и WIND.
Проанализированы солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23-его солнечного цикла. Проведён комплексный анализ данных о сильных солнечных и гелиосферных возмущениях в 2003-2004 годах. Представлен новый наблюдательный материал о явлениях экстремально высокой активности на Солнце и в гелиосфере, имевших место в 2003 году. Эти проявления оказались рекордными по величине целого ряда параметров. На основе этой информации и сравнения с другими подобными ситуациями, имевшими место в прошлом, а также с использованием имеющихся теоретических представлений, обсуждаются возможные причинно-следственные связи между наблюдаемыми процессами. Выявлены и исследованы проявления глобальной асимметрии Солнца в исследуемый промежуток времени, обусловленные процессами в его недрах и видимые в солнечной атмосфере и гелиосфере благодаря вращению Солнца как частично повторяющиеся рекуррентные события. Причиной сильных геомагнитных бурь в октябре-ноябре 2003 явились, порожденные этой нестационарной ситуацией на Солнце, корональные выбросы масс, принесшие с собой быстрые потоки плазмы с достаточно сильными и длительными магнитными полями подходящей южной ориентации в гелиосфере.
Достоверность результатов подтверждается выбором наиболее надёжных данных, проверенных методов обработки и соответствием с результатами других авторов в тех случаях, когда это было возможно сделать. Особое внимание в работе обращено на критический анализ недостоверных гипотез.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы компьютерного моделирования, стандартные статистические методы, строгие результаты теории вероятности и математической статистики.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задач и выборе метода их решения. Проделал большую работу по обработке и анализу экспериментального материала. Вклад автора в осуществление расчётов и анализ результатов является определяющим. При анализе полученного материала автором привлекались данные, полученные в проектах "Коронас", GOES, SOHO, АСЕ и WIND, а также работы других авторов, посвященные исследованию солнечных экстремальных событий.
Уточнение моментов времени для минимумов циклов солнечной активности
В течение времени наблюдений солнечных пятен существуют несколько необычных периодов. Один из таких периодов - минимум Дальтона на стыке XVIII -XIX столетий. Годы 1790-1794 в начале минимума Дальтона были плохо закрыты наблюдениями солнечных пятен. Исходя из этого, Усоскин и др [3-5] предложили гипотезу, что один солнечный цикл был потерян в начале минимума Дальтона в течение 1790-ых. Они предположили, что солнечный цикл № 4 по цюрихской нумерации (наиболее продолжительный за последние 300 лет) - фактически суперпозиция двух циклов: нормального цикла 1784-1793, и нового слабого цикла 1793-1800. Причина необходимости введения дополнительного цикла объясняется тем, что тогда разрешается так называемая фазовая катастрофа. В диссертации проанализирована гипотеза о потерянном солнечном цикле с точки зрения правила Вальдмайера и показано, что введенный гипотетический цикл заметно нарушает это надежно установленное правило, которое действует с 1500 года для разных индексов солнечной активности.
В главе 2 предпринята попытка статистического анализа экстремальных возмущений солнечной активности, представляющих большой практический интерес, как для прогнозирования, так и для оценки проявлений космической погоды. Состояние космической погоды в настоящее время оценивается по пятибалльной шкале NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) по следующим параметрам: 1) рентгеновский балл (R1-R5)- максимальная интенсивность электромагнитного излучения Солнца, измеренного на околоземной орбите в диапазоне мягкого рентгеновского излучения 1-12,5 кэВ, на длине волны - 0,1-0,8 нм. Воздействие максимальных интенсивностей приводит к внезапным ионосферным возмущениям, нарушениям радиосвязи. В данной работе используются баллы R4-R5; 2) солнечные протонные события (S1-S5) - измерение потока протонов на околоземной орбите, в единицах pfu (число протонов, в данном случае с энергией 10 МэВ через 1 см2 за 1 с в стерадиане). Воздействие событий баллов S2-S5 приводит к нарушениям радиосвязи на полярных трассах, а также радиационному риску космонавтов В работе используются события S3-S4, так как события балла S5 пока не наблюдались; 3) геомагнитные бури (G1-G5) - возмущение геомагнитного поля, как результат воздействия на магнитосферу потока солнечной плазмы с повышенной плотностью, температурой, скоростью частиц и южной ориентацией Bz-компоненты межпланетного магнитного поля. Баллы определяются по значениям трёхчасового геомагнитного индекса Кр. В работе используются события баллов G4-G5.
Таким образом можно было бы определить экстремальные события как большие мощные вспышечные явления, следствием которых в околоземном космическом пространстве является осуществление максимальных возмущений во всех трех позициях, т.е. R5, S5, G5. Однако, за весь период наблюдений, начиная со знаменитой кэррингтоновской бури 1 сентября. 1859 года событий баллов R5, S4 (т.к. событий с S5 не наблюдалось), G5 всего два: август 1972 года и октябрь 2003. Поэтому в данном исследовании событие называется экстремальным, если хотя бы один из параметров R, S, G достигает баллов 4 и 5. В процессе работы над диссертацией была составлена база данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий при таком определении СІ859 по 2006 год
Несмотря на то, что статистика экстремальных событий невелика, в работе рассмотрено, как ведут себя отобранные 85 событий с точки зрения распределения по баллам R,S,G. Была построена карта плотностей событий в плоскостях SG, RG, RS соответственно для разных баллов фиксированных параметров и показано, что несмотря на сложившееся мнение о многообразии вспышек и корональных выбросов массы без их дальнейших проявлений в околоземном пространстве, а также сильных геомагнитных бурь без значимых проявлений на Солнце, статистика таких событий для экстремальных возмущений незначительна. Таким образом, несмотря на небольшую статистику экстремальных событий, наблюдается тенденция сильных событий проявлять себя экстремально по всем основным параметрам.
На спаде последнего 23 его солнечного цикла в 2002-2006 годах, Солнце проявило экстремальные по своей силе возмущения, которые проявились как в гелиосфере, магнитосфере, так и на Земле. Таким образом, стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий.
Поэтому в главе 3 "Экстремальные события в 23м солнечном цикле" даётся детальное описание экстремальных проявлений солнечной активности за период с 1996 года по 2006 год на основе новых данных со спутников SOHO, TRACE, КОРОНАС-Ф, АСЕ и WIND.
Проанализированы солнечные и гелиосферные причины геомагнитных возмущений на фазе роста 23-его солнечного цикла. Проведён комплексный анализ данных о сильных солнечных и гелиосферных возмущениях в 2003-2004 годах. Представлен новый наблюдательный материал о явлениях экстремально высокой активности на Солнце и в гелиосфере, имевших место в 2003 году. Эти проявления оказались рекордными по величине целого ряда параметров. На основе этой информации и сравнения с другими подобными ситуациями, имевшими место в прошлом, а также с использованием имеющихся теоретических представлений, обсуждаются возможные причинно-следственные связи между наблюдаемыми процессами. Выявлены и исследованы проявления глобальной асимметрии Солнца в исследуемый промежуток времени, обусловленные процессами в его недрах и видимые в солнечной атмосфере и гелиосфере благодаря вращению Солнца как частично повторяющиеся рекуррентные события. Причиной сильных геомагнитных бурь в октябре-ноябре 2003 явились, порожденные этой нестационарной ситуацией на Солнце, корональные выбросы масс, принесшие с собой быстрые потоки плазмы с достаточно сильными и длительными магнитными полями подходящей южной ориентации в гелиосфере.
Достоверность результатов подтверждается выбором наиболее надёжных данных, проверенных методов обработки и соответствием с результатами других авторов в тех случаях, когда это было возможно сделать. Особое внимание в работе обращено на критический анализ недостоверных гипотез.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы компьютерного моделирования, стандартные статистические методы, строгие результаты теории вероятности и математической статистики.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задач и выборе метода их решения. Проделал большую работу по обработке и анализу экспериментального материала. Вклад автора в осуществление расчётов и анализ результатов является определяющим. При анализе полученного материала автором привлекались данные, полученные в проектах "Коронас", GOES, SOHO, АСЕ и WIND, а также работы других авторов, посвященные исследованию солнечных экстремальных событий.
Реконструкция экстремальных событий на основе связи Ар и Аа индексов геомагнитной активности
Исследование влияния солнечных и межпланетных (гелиосферных) явлений на околоземное пространство было и остается важнейшей составляющей солнечно-земной физики [1]. Так как такое влияние, часто называемое "космической погодой", оказывается важным во многих сферах человеческой деятельности, то исследования в этом направлении развиваются быстрыми темпами. Несмотря на то, что общая концепция такого влияния существенно не изменялась на протяжении многих лет, и к настоящему моменту накоплен большой объем экспериментальных и теоретических данных [13, 42-55], существуют определенные сложности в прогнозировании эффектов "космической погоды". При этом, если на основании измерений параметров межпланетной среды вблизи магнитосферы Земли (в частности в либрационной точке L1) можно с высокой степенью точности предсказать отклик магнитосферы и нижележащих оболочек Земли, то степень "оправдываемое" подобного прогноза на основании наблюдений Солнца остается достаточно низкой [54-57]. Это связано, с одной стороны, со сложностью изучаемой системы, включающей в себя множество отдельных звеньев, в каждой из которых действуют различные физические механизмы, а с другой стороны, с ограниченностью экспериментального материала, который в силу технических сложностей имеется лишь в некоторых точках пространства, доступных сегодняшним средствам измерения.
В настоящее время после наблюдения в 2003-2004 году экстремальных по своей силе возмущений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере стала особенно актуальна проблема, связанная с изучением причин и особенностей таких событий [11,12,58,59,60].
Изучение этих явлений сопряжено с известными трудностями: наблюдательная статистика мала, отсутствуют надёжные динамические модели, а также экстремальные события являются по определению относительно редкими. Тем не менее, можно указать несколько интересных особенностей таких явлений: разнообразие характеристик и параметров; отсутствие признаков универсальности при наличии сходных проявлений в мощных вспышках и корональных выбросах массы на Солнце; глобальный и множественный характер наиболее сильных возмущений на Солнце и в гелиосфере; связь таких событий с долготной асимметрией Солнца и с более длительными изменениями в недрах Солнца, в том числе циклическими и спорадическими [10].
В этой главе рассматривается попытка создания расширенной базы данных экстремальных событий, выделенных по трем различным параметрам. Кратко описывается феноменология этой базы и ее связь с реккурентной компонентой Солнечной активности (числами Вольфа). На основе анализа времени рекуррентности, проверяется гипотеза о принадлежности статистики экстремальных событий классу распределений с "тяжелыми хвостами".
Состояние космической погоды по предложению NOAA в настоящее время оценивается по пятибалльной шкале [60] по следующим параметрам (Табл.4.): 1) рентгеновский балл (R1-R5)- максимальная интенсивность электромагнитного излучения Солнца, измеренного на околоземной орбите в диапазоне мягкого рентгеновского излучения 1 -12,5 кэВ, на длине волны - 0,1-0,8 нм. С 1969 года и по настоящее время принята классификация солнечных вспышек по мощности потока рентгеновского излучения вспышки (мощность всплеска в максимуме), достигающего земной орбиты. Мощность потока рентгеновского излучения вспышки измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Современная классификация солнечных вспышек в рентгеновском диапазоне 1-12.5 кэВ, на длине волны 0.1-0.8 нм выглядит следующим образом: Балл R1 соответствует спокойной обстановке в околоземном пространстве, потоку 10 5 Вт/м2 и вспышкам рентгеновского балла Ml; балл R2 - слабовозмущённой обстановке, потоку 5х10"5 Вт/м2 вспышкам рентгеновского балла М5; балл R3 - возмущенной обстановке XI (10"4 Вт/м2); R4 - сильно-возмущённой (XI0 (10 Вт/м2)), и, наконец, R5 - экстремальной обстановке ( Х20 (2x10"3 Вт/м2)), Воздействие максимальных интенсивностей потока высоких баллов приводит к внезапным ионосферным возмущениям, нарушениям радиосвязи. В нашей работе мы используем баллы R4-R5. 2) солнечные протонные события (S1-S5) - измерение числа солнечных заряженных частиц на околоземной орбите. Поток протонов вблизи Земли связан с энерговыделением во вспышечном событии во время развития вспышки. В результате этого энерговыделения происходит прямое ускорение частиц, а затем может произойти ускорение на фронте ударной волны в короне Солнца и в межпланетной среде. Все эти факторы формируют величину потоков частиц, их энергетическое и угловое распределения вблизи Земли. В работе рассматриваются протоны с энергией Ер 10МэВ величиной потока в единицах pfu - proton flux unit (число протонов МэВ и через 1см2 за 1с в стерадианах). S1-10 pfu, S2-100 pfu, S3 -1000 pfu, S4- 10000 pfu, S5 - 100000 pfu. Воздействие событий баллов S2-S5 приводят к нарушениям радиосвязи, а также здоровье космонавтов может подвергаться радиационному риску. В нашей работе мы используем события S3-S4, так как события балла S5 пока не наблюдалось. 3) геомагнитные бури (G1-G5) - возмущение геомагнитного поля, вследствие воздействия потока солнечной плазмы повышенной плотности, температуры и скорости частиц и с южным направлением Bz-компоненты межпланетного магнитного поля. Баллы определяются по значениям трёхчасового геомагнитного индекса Кр (измерения магнитного поля на среднеширотных обсерваториях. Осреднение К индексов 12 обсерваторий, расположенных между 48 и 63 северной и южной геомагнитных широт.) Баллам G1-G5 соответствуют значения индекса Кр от 5 до 9. В нашей работе мы используем события баллов G4-G5.
Таким образом, можно было бы определить экстремальные события как большие мощные вспышечные явления, следствием которых в околоземном космическом пространстве является осуществление максимальных возмущений во всех трех позициях, т.е. R5, S5, G5. [60]. Однако, за весь период наблюдений, начиная со знаменитой кэррингтоновской бури 01.09.1859 г. событий баллов R5, S4 (т.к. наблюдения с баллом S5 пока не зафиксированы), G5 всего 2 (август 1978 года и октябрь 2003). Поэтому в нашей работе мы называем событие экстремальным, если хотя бы один из баллов параметров R, S, G 4;5 проявилось в одном из этих параметров. Иными словами, пусть Ai,ie{R,S,G 4.5}- множество пороговых значений в пространстве признаков NOOA. Назовем событие р экстремальным, если р є AR u As и AG. Мы составили базу данных по экстремальным возмущениям, которая насчитывает 85 событий, удовлетворяющих такому определению (Таблица5).
Характеристика сильных геомагнитных и ионосферных бурь в октябре-ноябре 2003 года
Физические причины наиболее заметных возмущений магнитного поля в гелиосфере и около планет связаны с солнечной активностью. Их диагностическими признаками на Солнце могут служить мощные нестационарные процессы на временной шкале от малых долей секунды (электромагнитное излучение) до многих часов (магнитогидродинамические движения) в солнечной короне и более низких слоях солнечной атмосферы. Довольно часто в литературе подобные диагностические признаки без достаточных на то оснований рассматриваются как непосредственные причины тех или иных гелиосферных процессов. Цель данного раздела состоит в том, чтобы детально проанализировать имеющуюся обширную информацию о .геоэффективности солнечных и гелиосферных процессов, собранную в течение нескольких последних лет. Выводы из данного рассмотрения указывают на важность многих динамических и геометрических характеристик электромагнитных и плазменных неоднородностей в широком диапазоне пространственно-временных масштабов на Солнце и в гелиосфере, а не только таких компактных образований, как импульсные вспышки. Представления о точном источнике, "первичном (импульсном) энерговыделении" в короне и тому подобные попытки необоснованной локализации солнечных источников геоэффективных возмущений в пространстве и во времени в большинстве рассмотренных случаев не отражают крупномасштабный (десятки градусов) и долговременный (многие часы) характер наиболее важных, но относительно слабых изменений, представляющих основной интерес для понимания подготовительной стадии корональных выбросов массы, ответственных за состояние "космической погоды"[7].
В данном разделе используются значения Ар-индексов геомагнитной активности, публикуемые в сборниках "Солнечные геофизические данные" для каждого трехчасового интервала времени и среднесуточных величин, которые имеются в электронном виде по адресу: http://julius.ngdc.noaa.gov:8000AVelcome_SGD.html. Данные о параметрах солнечного ветра и межпланетном магнитном поле с временным разрешением 1 мин и 5 мин, полученные на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) АСЕ, опубликованы по адресу: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/view_browse_deta.html, а данные космического аппарата WIND содержатся на странице: http://cdaweb.gsfc.nasa.goo/. Используемые изображения Солнца в линии На получены в Медонской обсерватории (Париж): http://mesola.obspm.fr/from_meudon.html. Сведения об активных областях, активных и исчезающих волокнах приведены согласно сообщениям о явлениях на Солнце (gopher://solar.sec.noaa.g0v/l I/indices). Для расчетов положения гелиосферного токового слоя в качестве граничных условий используются измерения фотосферного магнитного поля в Национальной солнечной обсерватории им. Вилкокса (США) http://quake.stanford.edu/wso/. Данные о корональных дырах публикуются обсерваторией Китт-Пик fip://ftp.noao.edu/kpvt/daily/lowers/. Вся совокупность указанных выше сведений была использована для составления постоянно пополняемой базы данных с удобным электронным доступом и программой поиска для каждого события в 1997-2006 гг. Созданная таким образом рабочая база данных для этого периода времени доступна для использования по адресу: http://decl.sinp.msu.ru/apev/. Прежде чем перейти к анализу событий, опишем критерии их отбора, исходя из сравнения "сигналов" и "шумов", т.е. детерминированной и флуктуационной части геомагнитных возмущений.
Геомагнитные возмущения представляют собой перманентные явления, отличающиеся между собой амплитудой, длительностью, местоположением и разнообразными морфологическими характеристиками. Для их количественного описания используются геомагнитные индексы, получаемые на основе измерений вариаций магнитного поля [62]. Разделение на спокойные и возмущенные периоды носит условный характер. В данной работе используется Ар-индекс, характеризующий возмущенность геомагнитного поля на средних широтах. Для дальнейших целей отметим следующие моменты. Среднемесячные значения Ар-индекса за период наблюдений с 1933 по 2001 г., охватывающий более шести одиннадцатилетних циклов, с конца 16-го цикла до середины 23-го цикла показаны на рис. 18 вместе со среднемесячными числами солнечных пятен. Наряду с одиннадцатилетним циклом видны более долговременные изменения, в том числе, две "триады" одиннадцатилетних циклов (17-19 и 20-22). Это дает некоторое основание ожидать следующую триаду (23-25), если не учитывать возможность больших флуктуации и плохо известных долговременных трендов и циклов. Одиннадцатилетние циклы имеют заметный разброс по длительности и амплитуде; двадцатый - самый слабый и длительный из них. Наименьшая геомагнитная активность наблюдается в минимуме этих циклов. Глубина минимумов различна. Как известно, наибольшая геомагнитная активность наблюдается непосредственно перед максимумом в числе пятен и после него, т.е. в конце фазы нарастания и, в особенности, на фазе спада. Относительно умеренная или даже низкая геомагнитная активность может наблюдаться вблизи максимума цикла по числу пятен в период переполюсовки Солнца, когда общее магнитное поле Солнца в несколько раз понижено. Вследствие этого появляется заметная квазипятилетняя вариация геомагнитной активности. Можно отметить существование неустойчивых колебаний с периодом 1-2 года в геомагнитной активности. Заметим попутно, что такие же колебания прослеживаются как в магнитном поле Солнца, так и в гелиосферных параметрах. Шумовой характер кривых на рис. 23 связан с хаотической составляющей в солнечной активности (эруптивные вспышки, корональные выбросы массы, исчезающие волокна и т.п.). Значения Ар-индекса варьируют внутри цикла, и от цикла к циклу практически с одинаковой амплитудой, причем наибольшие значения достигаются в мощных циклах. Вьщеление неслучайной составляющей в этих вариациях, для которой можно уверенно указать конкретный источник и причину на Солнце и в гелиосфере, представляется сложной задачей, пока еще далекой от своего решения.
Динамика солнечной активности по данным наблюдений комплекса СПИРИТ на ИСЗ КОРОНАС-Ф
Частота случаев наблюдения событий прогрессивно нарастала и флуктуировала на фазе роста 23-го солнечного цикла в 1997-2006 гг. На рис.25 показаны гистограммы распределений по кэрринггоновским оборотам для геомагнитных бурь различной интенсивности. Можно отметить здесь вариации с масштабом 1-2 года, полугодовые и сезонные вариации, а также нерегулярные флуктуации на масштабе нескольких месяцев. Причина всех этих вариаций связана в основном с динамикой солнечной активности, рождением, жизнью и гибелью активных областей, корональных дыр и комплексов активности. Все эти солнечные процессы находят свое отражение также в параметрах гелиосферного магнитного поля и солнечного ветра, идентифицируемых часто как коротирующие и спонтанные процессы в высокоскоростных потоках, корональных выбросах массы, гелиосферных токовых слоях и т.п. Чисто периодические сигналы, связанные с вращением Земли и Солнца, также являются значимыми, но порой трудноразличимыми на фоне более сильных спорадических изменений.
В качестве диагностических признаков на Солнце обычно рассматривают активные и исчезающие волокна, видимые на диске в линии поглощения На (DSF). Соответствующие синоптические карты Солнца публикуются различными обсерваториями. Традиционно используются наблюдения солнечных вспышек (SF), активных областей (AR), корональных дыр (СН), расчетные положения гелиосферного токового слоя (HCS), а в последнее время - регулярные наблюдения корональных выбросов массы (СМЕ).
Для работы ограничимся отбором некоторых из этих "кандидатов", расположенных в так называемой зоне влияния около центра диска ±30 по долготе и широте от него. Такой выбор обусловлен естественными геометрическими соображениями, связанными с угловыми размерами наблюдаемых СМЕ (30-40), кривизной поверхности Солнца и радиальной диаграммой направленности солнечного ветра. Большинство (но не все) возмущений за пределами этой зоны влияния проходит мимо Земли. Подчеркиваем, что такой выбор не учитывает всей реальной сложности геометрии солнечных и гелиосферных возмущений, что должно явиться предметом дальнейших исследований для локализации источников и причин наблюдаемых явлений. Были отобраны все кандидаты с учетом возможного запаздывания на 2-5 дней в процессе распространения солнечного ветра. Фильтрация и дальнейший отбор кандидатов проводились по оценке времени их запаздывания с учетом реально наблюдаемой скорости солнечного ветра на спутниках АСЕ, WIND, IMP. Типичное время запаздывания - 3 дня.
Гелиосферный токовый слой всегда присутствует в «зоне влияния» для всех анализируемых событий. Остальные кандидаты на роль диагностических признаков статистически распределились так, как это показано на рис. 22. Как видно, большинство событий может быть связано со сложными составными потоками из области коронарных дыр, солнечных вспышек и исчезающих волокон в различных комбинациях этих признаков вблизи центра солнечного диска. В этом состоит основной вывод данного исследования. DSF-SF волокна (DSF), солнечные вспышки (SF), корональные дыры (СН).
События с неидентифицированными источниками, обозначенные «NONE» на рис. 26, частично связаны с отсутствием наблюдений, плохим их качеством или условностью в нашем выборе ограниченной зоны влияния, которая лишь в среднем отвечает угловому размеру корональных выбросов массы. Безусловно, в некоторых случаях имеют место более протяженные источники возмущения, наиболее яркие диагностические признаки которых находятся вне выбранной нами зоны влияния и поэтому выпавшие из рассмотрения. Однако, число таких случаев относительно невелико (6%) и поэтому не очень сильно влияет на статистические результаты.
Во всех без исключения случаях геомагнитные бури происходили в то время, когда Земля оказывалась погруженной в потоки солнечного ветра с достаточно сильным межпланетным магнитным полем при его южной ориентации.
Сравним полученные результаты с выводами других авторов о причинах геомагнитных бурь в текущем солнечном цикле. В литературе имеется много работ, посвященных анализу индивидуальных событий. Попытки каких-либо статистических обобщений нам неизвестны.
В работах [73-77] детально исследовали геомагнитную бурю 10-11 января 1997 г. (событие № 1 в нашем списке). Большой интерес к солнечным причинам этой бури связан с тем, что она была вызвана, по-видимому, довольно сложным и не очень ярким процессом на Солнце, включающим в себя на конечной стадии выброс магнитного облака с ударной волной перед ним, холодным веществом протуберанца позади него. Последовавшая гелиосферная динамика также была довольно сложной, так как в нее были вовлечены такие крупномасштабные неоднородности как гелиосферный токовый слой и стример. В итоге всего этого и благодаря благоприятному, в каком-то смысле, стечению геометрических обстоятельств, не очень примечательное событие без сильных вспышечных проявлений на Солнце породило гало СМЕ и сильную геомагнитную бурю, с последствиями которой в магнитосфере предположительно связывают выход из строя телекоммуникационного спутника "Телстар401". Данное событие было уникальным и необычным в том плане, что протонная плотность в солнечном ветре достигала рекордного значения 185 см"3 в слое толщиной около 0,02 а. е. По всем признакам это было холодное вещество не полностью рассеявшегося протуберанца с очень низкой кинетической и ионизационной температурой. Действительно, в зоне влияния в южном полушарии было зарегистрировано исчезновение холодного волокна. Вблизи расчетного положения для основания гелиосферного токового слоя затем наблюдалось гало СМЕ, а в гелиосфере - магнитное облако соответствующей спиральности, которое и явилось непосредственной причиной геомагнитной бури, которая характеризуется некоторыми авторами как «проблемная», что означает отсутствие заметных вспышечных проявлений в оптическом и радиодиапазонах.
Геомагнитная буря 11 апреля 1997 г. (событие № 2 в базе данных APEV) ассоциируется с приходом к Земле по крайней мере двух взаимодействующих между собой в гелиосфере плазменных выбросов [78-79].
Событию 15 мая 1997 г. (№ 3 в нашем списке) предшествовали диагностические признаки на Солнце в виде солнечной вспышки, выброшенного Нос-волокна вблизи гелиосферного токового слоя, ударной корональной волны, потемнения участков короны в крайнем ультрафиолетовом и рентгеновском излучении за счет выброса СМЕ; в гелиосфере регистрировался мощный электроджет [74, 76, 80-85]. В магнитосфере Земли зарегистрировано быстрое ускорение релятивистских электронов, вызванное этим событием [86].
