УДК 523.62-726
ДИНАМИКА КРУПНОМАСШТАБНОГО ОТКРЫТОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЦА И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ В ЗОНЕ ГЛАВНЫХ АКТИВНЫХ
ДОЛГОТ В 2006-2012 гг. © 2013 г. К. Г. Иванов, А. Ф. Харшиладзе
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,
(ИЗМИРАН) г. Троицк, г. Москва
e-mail: kivanov@izmiran.ru Поступила в редакцию 22.04.2013 г.
Исследована динамика абсолютных глобальных значений Ф потоков Крупномасштабного Открытого Магнитного Поля Солнца (КОМПС) в 2006—2012 гг. с шагом в один солнечный оборот по данным Wilcox Solar Observatory с помощью оригинального пакета программ моделирования магнитного поля Солнца ISOPAK. Определены опорные точки и продолжительности заключительного квазидвухлетнего интервала 23-го цикла (01.2006—05.2007, 17 месяцев), интервалов фаз минимума (05.2007—11.2009, 30 месяцев), роста (11.2009—05.2012, 30 месяцев) и начала фазы максимума (05.2012—01.2013) 24-го цикла. Показано, что абсолютные значения Ф резко уменьшились в началах фаз минимума, роста и максимума соответственно до значений ~(2; 1.25; 0.75) х 1022 мкс. В течение всей фазы минимума КОМПС вращалось сврхквазитвердотельно, в западном направлении, по направлению вращения Солнца; с началом фазы роста произошла смена направления вращения на преимущественно восточное. Переплюсовка КОМПС в текущем 24-м цикле началась в мае—июне 2012 г. (CR 2123—2124) с прорыва на север полей южной полярности из южной полусферы Солнца. Подтверждается положение, что солнечный цикл — это непрерывная последовательность квазидвухлетних интервалов КОМПС. В частности, фазы минимума и роста — это интервалы, характеризующиеся противоположными направлениями вращения КОМПС соответственно сверхквазитвер-дотельным (скручиванием) и раскручиванием с одинаковыми, по крайней мере в 24-м цикле, про-должительностями.
DOI: 10.7868/S0016794013060047
1. ВВЕДЕНИЕ
С XIX века сферический гармонический ана-
лиз (СГА) является основным методом аналити-
ческого представления магнитного поля Земли
[Chapman and Bartels, 1940]. Чепмен указал на
возможность применения этого метода для изуче-
ния магнитного поля Солнца [Chapman, 1943], но
лишь через много лет СГА был разработан приме-
нительно к специфическим данным магнитного
поля солнечной фотосферы [Newkirk and Abs^uler, 1969]. Для современной солнечно-зем-
ной физики особенно важное значение имеет
применение СГА для моделирования крупномас-
штабных открытых магнитных полей Солнца
(КОМПС), полей, уходящих в межпланетную среду. Более 40 лет назад были указаны три перспек-
тивные направления в исследовании КОМПС с
помощью СГА: 1. Исследование конфигурации
КОМПС с помощью построения карт на поверх-
ности источника [Newkirk and Altschuler, 1969]. 2.
Исследование фотосферных источников с по-
мощью техники проектирования этих полей с по-
верхности источника [Levine et al., 1977a]. 3. Ис-
следование корональной и межпланетной суб-
структуры КОМПС, соответствующей ансамблю дискретных фотосферных источников КОМПС [Levine et al., 1977a, b].
Исследования в этих направлениях представляют собой альтернативу традиционному направлению развития физики Солнца на основе динамо-теории непрерывных полей: "From this analysis we begin to suspect that the hydromagnetic processes which control the solar dynamo result in shifts of geometrical field patterns which are more diserete than continuous in nature." [Levine et al., 1977a].
В нескольких работах Levine et al. [1977a, b; Levine 1978; 1982] исследовали топологию и кинематику фотосферных отображений (источников) КОМПС, их связь с активными областями, коро-нальными дырами и солнечным ветром. Было показано, что фотосферные источники КОМПС: 1) пространственно связаны с активными областями; 2) предшествуют с опережением до одного солнечного оборота появлению ассоциированных с ними корональных дыр; 3) вовлекаются в солнечное вращение, почти твердотельное в годы минимума, в твердотельное и регулярное диффе-
ренциальное — в годы максимума солнечной активности (СА); 4) соответствуют медленному солнечному ветру на орбите Земли.
В работе [Obridko and Shelting, 1999], основанной на большом статистическом материале за 1970—1996 гг., исследованы некоторые коллективные закономерности поведения КОМПС в циклах СА: широтный дрейф к экватору в тесной связи с активными областями и корональными дырами, зависимость вращения КОМПС от фазы СА. Обнаружен феномен одновременного двухмодового вращения со скоростями чуть меньше и больше, чем скорость вращения каррингтоновской системы координат.
Динамика структуры и конфигурации КОМПС от оборота к обороту систематически исследуется в наших работах, начиная с 2001 г., когда было обнаружено, что КОМПС каждого оборота представляет собой ансамбль дискретных взаимодействующих между собой фотосферных источников, порождающих явления солнечной активности в области их взаимодействия [Иванов и др., 2001], как оказалось, вследствие межсекторного дисбаланса магнитных потоков КОМПС [Иванов и Хар-шиладзе, 2008]. В частности динамика КОМПС в течение 1996—2003 гг. и ее особенности в зоне активных долгот рассмотрены в работе [Иванов и Харшиладзе, 2004 и в ссылках этой работы]. Были выделены семь последовательных интервалов поведения КОМПС и показано, что распределение этих интервалов по фазам цикла приводит к делению на две последовательные субфазы как фазу максимума СА, так и впервые фазы роста и спада активности. Как показано в работе [Кононович и Шефов, 2006], такое структурирование активности КОМПС проясняет физический смысл известной математической модели солнечного цикла как последовательности квазидвухлетних интервалов.
Замечательно, что вскоре после этого был идентифицирован один из заключительных квазидвухлетних интервалов динамики КОМПС на спаде 23-го цикла (2004—2005 гг.) [Иванов и Хар-шиладзе, 2009] и изучена его тонкая структура.
Суть его в генерации, развитии и диссипации 4-секторной структуры КОМПС, возникшей из двухсекторной из-за блокировки КОМПС в зоне активных долгот.
Замечательным свойством этого квазидвухлетнего интервала было наличие в его тонкой структуре "сингулярности" КОМПС, ассоциированной с чрезвычайно мощной АО, и ее последующий "взрыв" с колоссальным выделением энергии, преимущественно внутрь конвективной зоны, генерацией мощных гидродинамических импульсов: деблокирующего и отраженного от зоны активных долгот [Иванов, 2010а, б].
Указанные выше результаты подтверждают, на наш взгляд, значение альтернативного подхода к исследованиям, пионерами которого были [Levin, 1977, 1978; Levin et al., 1982] и иллюстрируют возможности для конкретизации физической сути в исследованиях по солнечно-земной физики. В рамках такого подхода далее рассматривается динамика КОМПС в 2006—2012 гг.
Далее излагаются по разделам: (2) — исходные данные и методы; (3) — динамика магнитного потока КОМПС в 2006—2012 гг. с шагом в один солнечный оборот; (4) — заключительный квазидвухлетний интервал 23-го цикла активности и определение опорной точки между минимумами 23-го 24-го циклов; (5) — фаза минимума 24-го цикла: структура фазы и динамика КОМПС; (6) — фаза роста 24-го цикла: структура и динамика КОМПС; (7) — обсуждение; (8) — заключение.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ
Использованы наблюдения фотосферного магнитного поля (http://quake.Stanford.edu/~WSO) после внесения всех поправок, указанных в работе Иванова и Харшиладзе [2009]. По этим данным определялись первые 10 коэффициентов ряда сферических гармоник с помощью программы ISOPAK [Харшиладзе и Иванов, 1994] и вычислялись абсолютные значения магнитных потоков КОМПС, рассчитанные по методу, изложенному в работе [Иванов и Харшиладзе, 2007]. По результатам этих вычислений построен график глобальных значений магнитных потоков КОМПС с шагом в один оборот (разд. 3), иллюстрирующий динамику потоков в 2006—2012 гг. Кроме того, потоки в локальных структурах КОМПС для некоторых избранных оборотов сравнивались между собой в разд. 4—7. Структура фаз минимума и роста рассматривались по картам фотосферных источников КОМПС.
3. ДИНАМИКА МАГНИТНОГО ПОТОКА В 2006-2012 гг. С ШАГОМ В ОДИН СОЛНЕЧНЫЙ ОБОРОТ
На рисунке 1 представлена динамика КОМПС в 2006-2012 гг. с шагом в один солнечный оборот. Она иллюстрирует динамику и структуру: фазы спада 23-го цикла (СЯ 2038-2056, 5.01.2006 г.-11.05.2007 г.); фазы минимума 24-го цикла (СЯ 2056-2090, 11.05.2007 г.-23.11.2009 г.); фазы роста (СЯ 2090-2124, 23.11.2009 г.-6.06.2012 г.) и начало фазы максимума 24-го цикла (СЯ 2124-2132, 6.06.2012 г.-9.01.13 г.). На графике представлены опорные точки: минимума 24-го цикла СЯ 2056, май 2007 г.; начала роста СЯ 2090, ноябрь 2011 г.; начало фазы максимума (обращения знаков КОМПС на полюсах, СЯ 2124, июнь 2012 г.).
СЯ
I_I_I_I_I_I_I_1_
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Годы
Рис. 1. Вариации абсолютных Ф глобальных значений Крупномасштабного Открытого Магнитного Поля Солнца (КОМПС) с шагом в один солнечный оборот в конце 23-го цикла, в фазу минимума, роста и начала фазы максимума текущего 24-го цикла солнечной активности.
Заметим, что продолжительности и фазы минимума и фазы роста 24-го цикла, равные каждая по 30 месяцев, укладываются в квазидвухлетние интервалы.
Интересно, что опорные точки этого цикла определены независимо от вариации КОМПС, представленной на рис. 1 (см. разд. 5 и 6). Тем не менее, эти точки довольно уверенно идентифицируются и по рис. 1, по среднему уровню и интенсивности флуктуаций последующих вариаций.
Одним из главных выводов из результатов по динамике КОМПС (рис. 1) является констатация абсолютных глобальных значений магнитных потоков КОМПС и их уменьшение от средних значений ~2 х 1022 до ~ 1.25 х 1022 мкс от фазы минимума к фазе роста, в тенденции к дальнейшему уменьшению до 0.75 х 1022 мкс в начале фазы максимума.
4. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЙ
КВАЗИДВУХЛЕТНИЙ ИНТЕРВАЛ 23-ГО
ЦИКЛА И ОПОРНАЯ ТОЧКА МЕЖДУ МИНИМУМАМИ 23-ГО И 24-ГО ЦИКЛОВ
Заключительный квазидвухлетний интервал 23-го цикла (СЯ 2038-2056, 5.01.2006 г.-11.05.2007 г., продолжительность 17 месяцев) четко отделяется от предыдущего (С
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.