КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, том 48, № 1, с. 3-32
УДК 523.62-726
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЧАСТОТА ПОЯВЛЕНИЯ И ГЕОЭФФЕКТИВНОСТЬ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ТИПОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
© 2010 г. Ю. И. Ермолаев, Н. С. Николаева, И. Г. Лодкина, М. Ю. Ермолаев
Институт космических исследований РАН, г. Москва yermol@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 27.11.2008 г.
В работе исследуется относительная частота появления различных типов солнечного ветра и их геоэффективность для магнитных бурь с Dst < —50 нТ, как в целом за весь период времени 1976—2000 г., так и их вариации в течение 2.5 циклов солнечной активности. Исходными данными для анализа является каталог крупномасштабных типов солнечного ветра за период 1976—2000 годов (см. ftp://ftp.iki.rssi.ru/omni/), созданный нами на основе базы OMNI (http://omniweb.gsfc.nasa.gov) [1] и подробно описанный в работе [2]. Среднегодовое число различных типов событий составляет: 124 ± 81 для гелиосферного токового слоя (HCS), 8 ± 6 для магнитного облака (МС), 99 ± 38 для Ejecta, 46 ± 19 для Sheath перед Ejecta, 6 ± 5 для Sheath перед МС и 63 ± 15 для CIR.
В течение 1976—2000 гг. только для 58% умеренных и сильных магнитных бурь (с индексом Dst < —50 нТ) имелись измерения, которые позволили определить источник в солнечном ветре. Показано, что самыми геоэффективными (~61%) являются магнитные облака (MC). В 3 раза менее геоэффективными (~20— 21%) являются и события CIR, и Ejecta, имеющие область Sheath. Наименьшая геоэффективность (~8%) у событий Ejecta, не имеющих область Sheath. Обсуждаются вариации распространенности и геоэффективности различных типов солнечного ветра в цикле солнечной активности.
1. ВВЕДЕНИЕ
Солнечный ветер, образующийся в результате расширения солнечной короны в межпланетное пространство, демонстрирует большую изменчивость на разных временных и пространственных масштабах (см., например, [3]). В данной работе мы на основе нашего каталога крупномасштабных явлений солнечного ветра [2] исследуем вариации на масштабах от нескольких часов до 25 лет, которые в основном связаны с динамикой солнечной атмосферы. Эти вариации охватывают 3 различные интервала характерных времен: (1) глобальные вариации Солнца в цикле солнечной активности (характерное время — годы), (2) "сканирование" крупномасштабных и долгоживущих солнечных структур вследствие вращения Солнца относительно наблюдателя около Земли (недели) и (3) динамические явления на Солнце и в межпланетном пространстве (сутки). При этом необходимо помнить, что наблюдатель вблизи орбиты Земли имеет возможность измерять солнечный ветер лишь вблизи плоскости эклиптики, т.е. солнечный ветер, берущий начало на низких ге-лиоширотах, и поэтому некоторые глобальные явления на Солнце с учетом геометрии распространения ветра могут в определенных случаях слабо проявляться в потоках солнечного ветра. Например, частота регистрации потоков, связанных с корональ-ными дырами или СМЕ, может не коррелировать с
частотой появления корональных дыр или СМЕ на Солнце, если последние образуются на высоких ге-лиоширотах. Подробное описание крупномасштабных типов солнечного ветра и их связь с Солнцем могут быть найдены в сборнике статей конференции "Solar wind — 11" в 2005 году [4] и в нашей статье [2], а также в цитируемой там литературе. В разделе 3 настоящей статьи будут подробно описаны частота появления и длительности различных крупномасштабных типов солнечного ветра на масштабах солнечного цикла и периода оборота Солнца.
Солнечный ветер является основным агентом, передающим энергию от Солнца к магнитосфере Земли и приводящим к магнитосферным возмущениям. Это свойство различных явлений быть источниками магнитосферных возмущений часто называют "геоэффективностью". Однако в современной литературе этот термин используется в двух значениях: нужно различать геоэффективность какого-либо типа солнечного ветра — т.е. отношение числа событий данного типа, приведших к буре, к полному числу событий этого типа — от эффективности физического процесса генерации бури — т.е. отношения "выхода" процесса, например, величины Дгиндекса, к "входу", например, величине Bz компоненты ММП или параметра Акасофу. Игнорирование этих различий может приводить к некорректным выводам. Геоэффективными (в данной статье —
способными генерировать магнитные бури) типами солнечного ветра являются только те, которые содержат заметную по величине и продолжительную южную (Bz < 0) компоненту межпланетного магнитного поля (ММП) [6—11]. Так как в стационарном солнечном ветре ММП лежит в плоскости эклиптики, то заметная компонента ММП вне плоскости эклиптики может появиться лишь в возмущенных типах солнечного ветра. Такими типами солнечного ветра являются магнитное облако (МС — magnetic cloud) и области сжатия перед быстрым МС (Sheath) и на границе взаимодействия быстрого и медленного потоков солнечного ветра (CIR — corotating interaction region) (см. обзор [12]).
Магнитное облако рождается на Солнце в результате выброса корональной массы (CME — coronal mass ejection) в виде магнитного жгута (пучка скрученных магнитных линий) и практически всегда (за исключением редкого случая, когда ось жгута направлена на север) в той или иной своей части содержит южную компоненту ММП [13, 14]. В последнее время терминология в этой области немного изменилась и усложнилась: все проявления СМЕ в межпланетном пространстве принято называть ICME (interplanetary coronal mass ejection) или Ejecta, и лишь малую их часть с большим и регулярно вращающимся ММП называют магнитными облаками MC. Доля МС в общем числе ICME изменяется в цикле солнечной активности [15]. Типы Sheath и CIR рождаются по дороге от Солнца до Земли в результате взаимодействия быстрого объема плазмы ("поршня", которым в случае Sheath является ICME, а в случае CIR — быстрый поток из корональной дыры) с медленным объемом плазмы. В этом случае нормальная плоскости эклиптики компонента ММП возникает за счет сжатия и деформации области взаимодействия потоков (см. например, [16]).
Изучению роли типов Ejecta/МС и CIR в генерации геомагнитных бурь посвящено большое количество работ. Геоэффективность Ejecta/МС (а также солнечных явлений) достаточно подробно описана, например, в обзорах [17 ,18], а геоэффективность CIR на примере 727 событий за период 1964—2003 годы оценена в единственной работе [19] и требует подтверждения независимыми исследованиями. Хотя в литературе достаточно часто указывалось, что Sheath может генерировать магнитную бурю (см., например, обзор [12] и ссылки в нем), лишь сравнительно недавно событие Sheath перед MC/Ejecta стало предметом отдельного, глубокого изучения (см. [2, 20—26] и ссылки в них). Более того, в ряде работ [25— 28] было получено, что во время Sheath процесс генерации бури оказывается более эффективным, чем во время магнитного облака (без количественной оценки геоэффективности Sheath). Тем не менее, необходимо отметить, что многие исследователи отклика магнитосферы на различные типы солнечного ветра не проводят различий между Sheath и MC/Ejecta [29—33]. В некоторых работах не учиты-
вается тот факт, что длительности геоэффективных типов течений солнечного ветра значительно короче длительности магнитной бури (например, в недавней работе [34] показано, что длительности Sheath, MC и CIR, генерирующих магнитные бури с Dst < < —60 нТ в период 1976—2000 годов составили 9 ± 4 (для 22 событий), 28 ± 12 (113) и 20 ± 8 (121) часов, соответственно), и приводят параметры солнечного ветра для CIR, Sheath and MC/Ejecta на интервалах 8—10 суток [29, 35, 36]. На наш взгляд такие подходы некорректны и приводят к некорректным выводам, так как полученные результаты относятся не к указанному типу течения солнечного ветра, а к смеси (обычно с неизвестной пропорцией) нескольких типов.
Необходимо также указать на существование некоторых дополнительных принципиальных нерешенных вопросов, которые связаны, в основном, с методическими подходами в решении проблемы.
1. В основном исследуются только причины сильных магнитных бурь с D st < —100 нТ (см., например, [23, 24]), т.е. обратное соответствие от бури к межпланетному источнику, а не геоэффективность различных типов солнечного ветра, для которой нужно, чтобы исходным списком событий был список межпланетных явлений, и для них нужно искать отклик в магнитосфере [37, 18].
2. Исследование только сильных магнитных бурь (см. работы [18, 23, 24, 37]) приводит к достаточно своеобразной статистике случаев: изучается малая часть магнитных бурь, генерированная в основном взаимодействующими магнитными облаками [38, 6], а более существенная по количеству часть менее сильных бурь вообще не анализируется [39].
3. Отсутствует анализ распространенности всех крупномасштабных типов солнечного ветра на достаточно продолжительных интервалах времени, сопоставимых с солнечным циклом.
4. Отсутствуют в литературе данные об оценках геоэффективности Sheath.
Эти недостатки мы планируем преодолеть в настоящей статье. В нашей работе [2] мы описали каталог крупномасштабных типов солнечного ветра для интервала 1976—2000 годов (см. ftp://ftp.iki.rssi.ru/omni/), созданный на основе базы OMNI (http://omniweb.gs-fc.nasa.gov) [1]. Поэтому в этой статье мы опираемся на этот каталог и изучаем относительную частоту появления различных типов солнечного ветра и их геоэффективность (для магнитных бурь с Dst < —50 нТ) как в целом за весь период времени, так и их вариации в цикле солнечной активности на протяжении более 2 солнечных циклов в 1976—2000 годах.
2. МЕТОДИКА
Наш каталог включает в себя 2 части: исходные параметры базы OMNI, дополненные рассчитанными нами некоторыми производными параметрами
(например, динамическим и тепловым давлениями, плазменным бета-параметром и некоторыми другими), и результаты детальной (с временным разрешением 1 час) идентификации 8 типов крупномасштабных течений плазмы солнечного ветра — HCS, Slow, Fast, CIR, Sheath, Ejecta, MC, Rare, а также 2-х типов кратковременных событий — ударной волны IS и обратной ударной волны ISA. Для выполнения задач данной работы была произведена некоторая дополнительна
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.