КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 5, с. 453-508
УДК 523.62
СОЛНЕЧНЫЕ И ГЕЛИОСФЕРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ОКТЯБРЕ-НОЯБРЕ 2003 г.: ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ
© 2004 г. И. С. Веселовский1, М. И. Панасюк1, С. И. Авдшшин2, Г. А. Базилевская3, А. В. Белов4, С. А. Богачев3, В. М. Богод5, А. В. Богомолов1, В. Ботмер6, К. А. Боярчук4, Э. В. Вашенюк7, В. И. Власов8, А. А. Гнездилов4, Р. В. Горгуца4, В. В. Гречнев9, Ю. И. Денисов1, А. В. Дмитриев1, 10, М. Драйер11, Ю. И. Ермолаев12, Е. А. Ерошенко4, Г. А. Жеребцов9, И. А. Житник3, А. Н. Жуков1, 13, Г. Н. Застенкер12, Л. М. Зеленый12, М. А. Зельдович1, Г. С. Иванов-Холодный4, А. П. Игнатьев3, В. Н. Ишков4, О. П. Коломийцев4, И. В. Крашенинников4, К. Кудела14, Б. М. Кужевский1, С. В. Кузин3, В. Д. Кузнецов4, С. Н. Кузнецов1, Виктория Г. Курт1, Л. Л. Лазутин1, Л. Н. Лещенко4, М. Л. Литвак12, Ю. И. Логачев1, Г. Лоуренс13, А. К. Маркеев4, В. С. Махмутов3, А. В. Митрофанов3, И. Г. Митрофанов12, О. В. Морозов1, И. Н. Мягкова1, А. А. Нусинов2, С. Н. Опарин3, О. А. Панасенко1, А. А. Перцов3, А. А. Петрукович12, А. Н. Подорольский1, Е. П. Ромашец4, С. И. Свертилов1, П. М. Свидский2, А. К. Свиржевская3, Н. С. Свиржевский3, В. А. Слемзин3, З. Смит11, И. И. Собельман3, Д. Е. Соболев4, Ю. И. Стожков3, А. В. Суворова1,
Н. К. Суходрев3, |И. П. Тиндор, С. Х. Тохчукова15, В. В. Фомичев4, И. В. Чашей9,
И. М. Черток4, В. И. Шишов9, Б. Ю. Юшков1, О. С. Яковчук1, В. Г. Янке4
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
(veselov@dec1.sinp.msu. ги) 2 Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, г. Москва 3 Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, г. Москва 4 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Троицк 5 Специальная астрофизическая обсерватория РАН, г. Нижний Архыз 6 Институт исследования солнечной системы им. Макса Планка, Катленбург-Линдау, Германия 7 Полярный геофизический институт Кольского филиала РАН, г. Апатиты
8 Радиоастрономическая станция АКЦ ФИАН, г. Пущино
9 Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 10 Институт космических исследований, Чонгли, Тайвань
11 Центр по исследованию космической среды, Булдер, США 12 Институт космических исследований РАН, г. Москва 13 Королевская обсерватория Бельгии, Брюссель 14 Институт экспериментальной физики САН, Кошице, Словакия 15 Главная астрономическая обсерватория РАН, Пулково
Поступила в редакцию 19.05.2004 г.
Представлен новый наблюдательный материал о явлениях экстремально высокой активности на Солнце и в гелиосфере, имевших место в октябре-ноябре 2003 г. По целому ряду солнечных и ге-лиосферных параметров рассматриваемый интервал времени является уникальным за все время наблюдений. На основе этой информации и сравнения с другими подобными ситуациями в прошлом, а также с использованием имеющихся теоретических представлений обсуждаются возможные причинно-следственные связи между наблюдаемыми процессами. Статья содержит первые результаты и выводы, полученные коллаборацией "Солнечные экстремальные события - 2003", созданной в России для детального исследования этих событий. Проведенное рассмотрение не оставляет сомнений в том, что физические причины солнечных и гелиосферных явлений в октябре-ноябре 2003 г. не являются исключительно локальными и относящимися лишь к активным областям и солнечной атмосфере над ними. Энергетические резервуары и движущие силы этих процессов носят более глобальный характер и во многом скрыты от наблюдателя, поскольку в конечном счете их источники лежат в подфотосферных слоях Солнца, где иногда могут происходить и действительно происходят достаточно быстрые, неожиданные и трудно предсказуемые изменения. Солнечные пятна могут служить неплохими трассерами этих внезапных изменений и перестроек на Солнце, хотя можно указать и другие диагностические признаки в параметрах магнитных полей, движений вещества и характеристиках излучений.
1. ВВЕДЕНИЕ
Цель данной статьи состоит в том, чтобы представить и обсудить новый наблюдательный материал о разнообразных явлениях экстремально высокой активности на Солнце и в гелиосфере, имевших место в октябре-ноябре 2003 г. Сопоставив этот материал с известными ранее фактами, можно найти определенные черты сходства и различия с другими подобными периодами в нескольких прошлых циклах солнечной активности, что дает возможность рассмотреть как твердо установленные закономерности, так и гипотезы о природе этих явлений и об их влиянии на процессы в околоземном космическом пространстве.
Ниже приводится информация о наблюдавшихся явлениях на Солнце и в гелиосфере на спаде 23-го солнечного цикла в октябре-ноябре 2003 г. В это время произошло быстрое развитие глобальной и локальной активности, наблюдаемой на всей поверхности Солнца и над ней. Самые заметные изменения и мощные активные области были сосредоточены в основном на одной стороне Солнца, наиболее полно обращенной к Земле около 26.Х и 18.XI. В октябре-ноябре были зарегистрированы очень мощные корональные выбросы массы (КВМ или СМЕ) и многочисленные солнечные вспышки, в том числе самого высокого рентгеновского балла. Некоторые сложные плазменные и магнитные возмущения, образовавшиеся после этого в солнечном ветре, достигали Земли и воздействовали на магнитосферу, а другие прошли мимо нее. Серия КВМ, зарегистрированных 28-30.Х приборами на космических обсерваториях БОИО и Коронас-Ф вблизи центрального меридиана Солнца около активной области 10486, явилась непосредственной причиной межпланетных транзиентов и ударных волн, достигших Земли через 1-2 суток и принесших вместе с собой сильные электрические поля и токи. Именно это и привело к развитию геомагнитных бурь в три этапа 29-31.Х. Спустя почти один оборот Солнца, 20.Х1 произошла другая сильная геомагнитная буря, на этот раз одиночная. Она была инициирована приходом к Земле одиночного КВМ из тех же участков Солнца 18.XI. Поэтому данное геомагнитное возмущение следует квалифицировать и как рекуррентное, и как спорадическое возмущение одновременно. Другие события на Солнце в рассматриваемый промежуток времени оказались не столь эффективными в смысле возбуждения геомагнитных бурь либо из-за расположения их источников на Солнце вдали от центрального меридиана, либо из-за геометрии гелиосферных магнитных полей, имевших в это время преимущественно положительную североюжную составляющую. Например, мощнейшее эруптивное явление 4.Х1 с КВМ, рекордной рентгеновской вспышкой и огромной постэруптивной аркадой на западном лимбе породило лишь относительно слабое геомагнитное возмущение. Од-
нако ускорение заряженных частиц до очень высоких энергий и сопровождавшее его мощное электромагнитное и нейтронное излучение уверенно зарегистрировано для этого и ряда других событий в указанный промежуток времени как на Земле, так и на различных космических аппаратах.
Введение, дискуссия, выводы статьи написаны И.С. Веселовским, им же при содействии других соавторов составлен окончательный текст. Идея создания коллаборации для исследования солнечно-земных связей во время рассматриваемого сильно возмущенного периода времени и для написания данной статьи, а также руководство обсуждениями на научных семинарах и совещаниях, посвященных этим вопросам, принадлежат М.И. Панасюку. Подготовка содержания всех разделов статьи осуществлялась как индивидуально отдельными авторами и группами, так и совместно на основе материалов, представленных различными институтами. Необходимо особо отметить основной вклад сотрудников ИЗМИРАН в разделы 2, 7, 14. САО и ГАО РАН внесли главный вклад в раздел 6. Следует подчеркнуть, что в такой многоплановой статье с большим числом соавторов могут содержаться результаты, интерпретационные утверждения и выводы, которые разделяются не всеми участниками коллаборации, а отражают точку зрения отдельных авторов и групп. Авторы не считали нужным обходить стороной такие дискуссионные моменты, но стремились выработать на них единый взгляд насколько это возможно. Тем не менее, первый автор отвечает за все возможные ошибки и неточности в этом отношении.
2. СРАВНИТЕЛЬНОЕ РЕТРОСПЕКТИВНОЕ ОПИСАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
ДЛЯ РАССМАТРИВАЕМОГО ПЕРИОДА
События, в чем-то похожие на рассматриваемые в данной статье, произошли и на ветви спада 20 цикла солнечной активности в августе 1972 г. В это время за короткий период (2. VIII, 4. VIII и 7. VIII) наблюдались четыре очень сильных солнечных вспышки (класса 2B и 3B) и к Земле пришли три сильных межпланетных ударных волны. Эти события были одними из первых с начала космической эры, сравнительно хорошо документированных по прямым измерениям в межпланетной среде, в том числе, в первую очередь, по данным ИСЗ "Прогноз" и "Прогноз-2", а также HEOS-2 и КА Pioneer 9 [1]. При анализе полученного в 1972 г. набора данных основное внимание было обращено на определение характеристик ударных волн - их формы, мгновенной и средней скорости, характера замедления, поведения параметров солнечного ветра и ММП на фронтах и за ними. Также важнейшим достижением этого анализа было получение оценки энергии каждой из ударных волн (потенциальной, кинетической, тепловой, магнитной), выделившейся в ходе вспышки в виде выброса определенной массы
вещества в межпланетную среду. Для вспышки 4. УШ.72 были получены рекордные оценки - поток энергии около 100 эрг/см2 с, выброшенная масса около 1017 г, выброшенная энергия около 1033 эрг. В этом аспекте, вследствие уже упоминавшегося сбоя в работе приборов на нескольких космических аппаратах и ряда других ограничений, сделать аналогичные оценки для событий октября-ноября 2003 г. будет несколько сложнее. События августа 1972 г. были также множественными во времени (вся последовательность из четырех мощных вспышек развернулась на интервале 3 суток), как и события конца октября 2003 г., но, конечно, они были гораздо хуже изучены в части наблюдений Солнца (тогда еще не было наблюдений СМЕ на внеземном коронографе и т.д.). Наиболее близкая аналогия может быть отмечена между вспышкой 4.УШ.1972 в 06.21 ИТ и вспышкой 28.Х.2003 в 10.02 ИТ. В первом событии к Земле через 14.5 часов
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.