АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 84, № 4, с. 380-384
УДК 523.98-337
ОБОБЩЕННОЕ ПРАВИЛО ПОЛЯРНОСТЕЙ СОЛНЕЧНЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
© 2007 г. В. Н. Обридко, Б. Д. Шельтинг
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
Троицк, Россия Поступила в редакцию 23.08.2006 г.; после доработки 12.10.2006 г.
Вычислены долготно-усредненные значения всех компонент крупномасштабного магнитного поля на Солнце. Показано, что в нечетных циклах в северном полушарии как в локальных, так и в крупномасштабных полях Аполярность и трансверсальная компонента поля В^, направленная к востоку, несколько больше по напряженности и меньше по занимаемой площади, чем для поля противоположного знака. С переходом в четный цикл и в другое полушарие этот закон меняется на обратный. Обычный закон Хейла является частным случаем сформулированного выше утверждения. Природа этой асимметрии, по-видимому, заложена в самом механизме динамо и должна быть существенной для полей любых масштабов.
PACS: 96.60.Hv, 96.60.qd
1. ВВЕДЕНИЕ
С момента открытия магнитного поля на Солнце в 1908 г. были установлены основные законы поведения для локальных полей, отождествляемых с магнитным полем солнечных пятен.
1. Пятна нового цикла возникают за несколько лет до минимума на относительно высоких широтах ±35°—40°. С течением времени пятна возникают на все более низких широтах, приближаясь к экватору. Однако в непосредственной близости к экватору в пределах ±5° пятна не появляются никогда. Этот закон часто называют законом Шперера, график зависимости положения пятен от времени и широты — диаграммой бабочек Маундера.
2. Согласно правилу Хейла в нечетных циклах магнитное поле в ведущих пятнах группы в северном полушарии имеет северную, а в хвостовых — южную полярность. Эта картина меняет знак в южной полусфере и при переходе в четный цикл. Это, естественно, указывает на то, что физическим является не 11-летний, а 22-летний цикл.
Заметим, что по существу в законе Хейла содержится три независимых утверждения: во-первых, головное пятно имеет как правило одну и ту же полярность; во-вторых, эта закономерность меняется с переходом к новому циклу, чем утверждается физическая основа 22-летнего цикла; в-третьих, эта закономерность противоположна в северном и южном полушарии, чем закладывается основа для утверждения о глобальности механизма генерации поля.
С момента начала точных магнитографических наблюдений встал вопрос, замыкается ли магнитное поле внутри активной области и в ее ближайших окрестностях. Непосредственные измерения показывают, что интеграл измеряемого продольного поля по площади активной области никогда не равен нулю [1,2]. Предложен ряд объяснений этого эффекта. Разбаланс поля может возникнуть из-за недостаточной чувствительности магнитографов в области малых полей, из-за нелинейной зависимости сигнала от величины магнитного поля, из-за зависимости сигнала от характерных размеров измеряемых объектов. Кроме того, исследования последних лет показали, что часть магнитного потока через гигантские петли уходит далеко за пределы активной области и становится частью потока крупномасштабного магнитного поля [3].
Если мы не можем уверенно сказать, замыкается ли поле внутри площади активной области, то мы уверенно можем говорить, что долготно-усредненное поле вдоль круга широты не равно нулю. Это, по-видимому, связано с преобладанием головной полярности по напряженности. На рис. 1а показано долготно усредненное-продольное поле по измерениям в обсерватории Кит Пик. Эти данные взяты с сайта NASA/HATHAWAY 2005/10. Напряженность от —10 до 10 Гс кодирована непрерывным изменением яркости от черного цвета до белого. Видно, что в активной области непосредственно измеряемое поле при долготном усреднении не обращается в нуль, а соответствует полярности поля головных пятен.
ОБОБЩЕННОЕ ПРАВИЛО ПОЛЯРНОСТЕЙ (а)
1975
80
80 60 40 20 0 20 40 60 80
1980
1985
1990 (б)
1995
1980
1985
1990 (в)
1995
1980
1985
1990 Годы
1995
200
2005
2000
2000
Рис. 1. Долготно-усредненные компоненты магнитного поля: (а) — продольное поле по данным обсерватории Китт Пик, (б) — радиальная компонента Вг крупномасштабного магнитного поля, (в) — меридиональная компонента Вв.
2. 11-ЛЕТНИЙ ЦИКЛ В КРУПНОМАСШТАБНОМ ПОЛЕ
Крупномасштабное магнитное поле также меняется с 11-летним циклом. При этом крупномасштабные поля простираются по всей поверхности
Солнца. В отличие от локальных полей, с течением времени они дрейфуют к полюсам [4—8]. Это хорошо заметно на рис. 1а. Видно, что крупномасштабное поле дрейфует к полюсам, достигая максимума на полюсах одновременно с минимумом локальных полей. При этом здесь уже при долгот-
382
ОБРИДКО, ШЕЛЬТИНГ
Рис. 2. Разность числа дней с В^ > 0 и числа дней с В^ < 0 внутри каждого двухгодичного интервала.
ном усреднении преобладает поле полярности, соответствующей хвостовым пятнам локальных активных областей. На рис. 1б,в показаны долготно-усредненные крупномасштабные радиальная Вг и меридиональная Вд компоненты. На этих двух диаграммах несколько разная кодировка. На рис. 1б напряженность от —9 до 9 Гс кодирована дискретным изменением яркости от черного цвета до белого с шагом 4.5 Гс, на рис 1в напряженность от —6 до 6 Гс кодирована с шагом 2 Гс. Поскольку на рис. 1б, в отличие от рис. 1а, дана радиальная, а не продольная компонента при разрешении 10° (см. ниже), локальные поля усредняются. В отличие от (см. ниже), радиальная компонента не должна усредняться до нуля по кругу широты. Компонента Вд отражает самое крупномасштабное поле, определяемое в минимуме вертикальным диполем.
Часто можно слышать утверждение, что крупномасштабное поле меняет свой знак в максимуме цикла локальных полей. Это не совсем корректное утверждение, и оно относится только к полярному полю (этот момент часто называют пе-реполюсовкой), либо к дипольной составляющей крупномасштабного поля [9]. На самом деле, смена знака крупномасштабного поля на разных широтах происходит в различные моменты времени. Это хорошо видно из рис. 1б, на котором показан расчет радиальной компоненты среднего радиального поля с таким усреднением, что локальные поля на них не видны.
Если второе и третье утверждения, содержащиеся в законе Хейла для локальных полей, легко проверяются и в несколько измененной форме подтверждаются и для крупномасштабных полей, не так просто обстоит дело в отношении главного, первого утверждения. Вообще говоря, в крупномасштабных полях нельзя говорить о ведущей или
ведомой полярности. Поэтому закон Хейла следует переформулировать так: внутри активной области трансверсальная компонента поля в северном полушарии в нечетном цикле направлена к востоку (Вр < 0). Согласно этому определению закон Хейла означает, что в нечетном цикле в ^полушарии в активных областях между пятнами напряженность поля направлена к востоку (Вр > 0), а вокруг поле направлено к западу (Вр > 0). При этом напряженность поля, направленного к востоку, больше, а относительная площадь — меньше, чем у направленного к западу.
Непосредственно эта компонента поля не измеряется, но в рамках потенциального приближения ее можно вычислить (см., например, [10, 11]). Имея расчет всех компонент магнитного поля, этот закон можно проверить для крупномасштабного поля. Очевидно, что в соответствии с уравнением Максвелла в случае отсутствия токов (потенциальное приближение) интеграл по замкнутому контуру от
должен быть равен нулю. Поэтому среднее поле вдоль данного круга широты при отсутствии глобальных токов на фотосфере должно быть равно нулю. Однако не очевидно, что плошади, занятые разного знака, будут одинаковы. Поэтому для крупномасштабного поля более подходящим является наше новое определение, формулируемое с помощью понятия преобладания площади, занятой разными знаками .
3. ОБОБЩЕННЫЙ ЗАКОН ХЕЙЛА ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ПОЛЕЙ
Для расчетов нами были использованы данные Обсерватории Джона Вилкокса в Стэнфорде. Многократно описанным методом [10, 11] были вычислены среднесуточные значения всех компонент
ОБОБЩЕННОЕ ПРАВИЛО ПОЛЯРНОСТЕЙ
383
магнитного поля на уровне фотосферы по 10 гармоникам (так называемый "классический" вариант — см http://quake.stanford.edu/ wso/wso.html).
Для оценки площади, занимаемой полем того или иного знака Ву на каждой широте, подсчи-тывалось число дней с этим знаком в двухгодичном интервале времени. Кроме того, вычислялось среднее значение данной компоненты поля в этом круге широты. Затем интервал сдвигался на 1 год и получалась зависимость среднего значения поля и разность площадей как функция времени и широты. Таким образом, эффективное разрешение составляет около 10 гелиографических градусов, что соответствует точности исходных данных. Так были получены диаграммы, показанные на рис. 1б, 1в.
Оказалось, что, как и сдедовало ожидать, среднее по кругу широты значение Ву в пределах ошибок равно нулю. В то же время, площади, занятые Ву > 0 и Ву < 0, существенно различаются. На рис. 2 приведена разность числа дней с Ву > 0 и числа дней с Ву < 0 внутри каждого двухгодичного интервала. Оказалось, что в окружающей среде (например, в 23-м цикле) число дней с Ву > 0 в северном полушарии значимо больше, чем с противоположным направлением. С переходом в соседний цикл или другое полушарие это соотношение меняется на обратное. Данное различие составляет менее 10%, но находится довольно уверенно. Как уже говорилось, среднее по кругу широты значение Ву в пределах ошибок равно нулю. Поэтому большая площадь соответствует меньшей средней напряженности. А следовательно, поле с полярностью, совпадающей с полярностью головного пятна, выше по напряженности, т.е. в этом смысле окружающая среда также Хейловская.
Трудно сказать сейчас, является ли обнаруженное свойство действительно свойством крупномасштабных полей или отражает закономерности мелкомасштабных вкраплений. Обнаруженный дисбаланс наблюдается на всех широтах, в том числе и в высоких широтах, где пятен нет. Возможно, в высоких широтах реально присутствуют локальные поля; они влияют на баланс потоков, но недоступны наблю
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.