ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 3, с. 291-307
УДК 523.62-726
МГД-ПРИРОДА ВОЗНИКНОВЕНИЯ, ДИНАМИКИ, ГЕОЭФФЕКТИВНОСТИ И ИСЧЕЗНОВЕНИЯ ЧЕТЫРЕХСЕКТОРНОЙ СТРУКТУРЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЦА НА ФАЗЕ СПАДА 23-ГО ЦИКЛА © 2009 г. К. Г. Иванов, А. Ф. Харшиладзе
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
РАН, Троицк (Московская обл.) e-mail: kivanov@izmiran.troitsk.ru Поступила в редакцию 03.12.2008 г.
Установлена МГД-природа возникновения, динамики, геоэффективности и исчезновения четы-рехсекторной структуры солнечного магнитного поля на фазе спада 23-го цикла. Моделирование крупномасштабного открытого магнитного поля и анализ динамики потоков этого поля привел к обнаружению на Солнце длительного упорядоченного МГД-процесса, состоящего из цепочки взаимосвязанных, не известных до данного исследования, явлений, начинающихся и заканчивающихся в одной из главных зон активных долгот и ответственных за упомянутую выше природу четырех-секторной структуры. Эти явления суть: сверхконцентрация фотосферных источников поля одного знака в зоне активных долгот — блокировка ими регулярного дифференциального вращения — возникновение нестационарного МГД-возмущения в виде четырехсекторной структуры, бегущей в направлении вращения Солнца с околоальвеновской скоростью — срыв блокировки, вытеснение блокирующих источников из зоны, их сдвиговое движение относительно бегущего МГД-возмущения — частичная регенерация поля в окрестностях и внутри зоны и блокировка им бегущего МГД-возмущения — торможение и диссипация четырехсекторного МГД-возмущения — восстановление двухсекторной структуры. Взаимодействия в ходе этого процесса, длившегося с мая 2004 г. по декабрь 2005 г., сопровождались генерацией упорядоченной последовательности гелиосферных и солнечно-земных возмущений, в число которых входила серия из девяти экстрабурь июля 2004 г. — сентября 2005 г., последних в завершившемся 23-м цикле солнечной активности.
PACS: 96.60.Hv; 96.12.Hg
1. ВВЕДЕНИЕ
На фазе спада 23-го цикла наблюдалась весьма активная четырехсекторная структура открытого (уходящего в межпланетную среду) магнитного поля Солнца, ответственная за серию из девяти мощных солнечно-земных экстрабурь (средний полусуточный а^-индекс >100), соответственно 25-27 июля и 8-10 ноября 2004 г., 7-8 и 18-21 января, 8, 15 и 30 мая, 24 августа и 11 сентября 2005 г. Часть этих солнечно-земных экстрабурь (2527 июля и 8-10 ноября 2004 г., 18-21 января, 15 мая и 11 сентября 2005 г.) наблюдалась во время относительно интенсивной и длительной вспы-шечной активности (вспышечный индекс Ш> 50), условно - во время глобальных гелиосферных экстрабурь. Другая часть солнечно-земных экстрабурь возникла после изолированных одиночных вспышек (7-8 января и 8 мая 2005 г.) и дублетов 30 мая и 24 августа 2005 г. при значениях Ш от 4 до 23. Гелиосферные возмущения со вспышеч-ным индексом Ш < 50 будем в дальнейшем условно называть локальными гелиосферными бурями. Можно предположить, что эта серия в некотором
смысле однотипных бурь, возникших в одной и той же секторной структуре, является благодатным материалом для исследования механизма их возникновения. В частности, было бы интересно проследить за динамикой межсекторных соотношений крупномасштабного открытого поля, установить возможные ее связи с динамикой солнечной активности и околоземных возмущений, выяснить возможную роль в этих связях зоны активных долгот. Первые результаты работы в этом направлении изложены в статьях [Иванов и Харшиладзе, 2007; 2008] на примере двух заключительных бурь этой серии - 24 августа и 11 сентября 2005 г. Была, в частности, подтверждена концепция активных секторных границ, характеризующихся превышением магнитного потока в восточном секторе ФЕ над потоком в западном Ф^ (ФЕ/Ф ж > 1), что было необходимым, но, как оказалось, не достаточным условием возникновения бурного процесса в окрестностях этих границ. Кроме того, обнаружено, что сектора были неравноценны в том смысле, что один из четырех секторов и только он, расположенный в зоне активных долгот, оказался в
июле—октябре 2005 г., во время этих бурь, стабильным как по локализации (положению границ), так и по величине магнитного потока.
Задачей данной работы было продолжение исследования динамики межсекторных соотношений потоков магнитного поля в этой четырехсек-торной структуре применительно ко всем бурям этой серии, начиная с бурь 25—27 июля и 8—10 ноября 2004 г., возникших при образовании этой структуры.
Как показано ниже, магнитный поток той же самой зоны активных долгот, особенности которого указаны выше в связи с изучением двух заключительных бурь этой серии, играл очень важную роль на протяжении всей серии из девяти бурь, что позволяет рассматривать эту серию как следствие единого процесса, представлявшего собой взаимодействие крупномасштабного отрицательного поля зоны активных долгот с глобальным положительным полем.
Этот процесс можно условно представить состоящим из трех последовательных фаз, подробное описание которых дано ниже соответственно в разделах 3—5: 1. Первая фаза (июнь—декабрь 2004 г.) — концентрация в зоне активных долгот (300—340°С£) практически всех фотосферных источников отрицательной полярности, с центром тяжести в северном полушарии, значительным (до широты ~40°8) проникновением в южное полушарие и квазитвердотельным вращением; появление в юго-западной окрестности зоны двух новых секторов, положительного и отрицательного, дополняющих структуру до четырехсекторной; сильное двухэтапное взаимодействие быстро растущего магнитного потока положительной полярности в этом секторе, в юго-западных окрестностях зоны, с отрицательным полем зоны активных долгот, с возникновением в обоих случаях серий мощных солнечных вспышек, гелиосферных и солнечно-земных экстрабурь соответственно 25— 27 июля и 8—10 ноября 2004 г. 2. Вторая фаза (декабрь 2004 — июнь 2005 г.) — смещение к востоку от зоны активных долгот центра тяжести фотосфер-ных источников крупномасштабного открытого поля (выход из квазитвердотельного вращения), столкновение (взаимодействие) последовательно с двумя секторами положительной полярности: вначале со смежным сектором, в юго-восточных окрестностях зоны активных долгот, и далее — с более далеким восточным положительным сектором; в обоих случаях результатом было возникновение мощных гелиосферных (со множеством вспышек) и солнечно-земных экстрабурь (соответственно 18—21 января и 15 мая 2005 г.). 3. Заключительная фаза (июнь—октябрь 2005 г.) — частичная регенерация (!) крупномасштабного открытого отрицательного магнитного поля в зоне активных долгот и ее восточных окрестностей с
восстановлением режима квазитвердотельного вращения; взаимодействие быстро растущего поля сектора положительной полярности на этот раз в отличие от начальной фазы, в юго-восточной окрестности зоны активных долгот, с генерацией глобальной гелиосферной бури 7—17 сентября, с наибольшим для всей серии бурь числом мощных вспышек (F = 160), и солнечно-земной экстрабурей 11 сентября.
В разделе 6 рассматривается возможная интерпретация обнаруженных связей динамики крупномасштабного открытого поля с солнечной активностью, экстрабурями и зоной активных долгот. В основе интерпретации лежит высказанное ранее в работе [Иванов и Харшиладзе, 2004] предположение о взаимодействии крупномасштабного открытого поля с дифференциальным вращением плазмы конвективной зоны при учете нового обстоятельства — особой роли одной из зон активных долгот, доминировавшей в 23-м цикле солнечной активности. Предполагается, что в этой зоне происходит последовательно: 1) всплытие крупномасштабного поля, его усиление, вовлечение в твердотельное вращение, блокировка им дифференциального вращения в экваториальной области с формированием глобального приэкваториального, бегущего в направлении вращения Солнца МГД-возмущения в виде четырехсектор-ной структуры; 2) возрастание крупномасштабных полей полярности, противоположной полю активной зоны, интенсификация пересоединения на границах активной зоны с возникновением явлений солнечной активности; 3) частичная диссипация магнитного потока и разблокировка дифференциального вращения активной зоны, отрыв его значительной части от квазитвердотельного вращения и последующее перераспределение по диску Солнца со столкновениями и интенсивными взаимодействиями с полями противоположной полярности; 4) частичная регенерация потока в зоне активных долгот до уровня значительно меньшего, чем начальное, восстановление блокировки, на этот раз МГД-возмущения, с резким усилением полей противоположной полярности (в восточных окрестностях зоны активных долгот), интенсификация пересоединения и возникновение глобальной гелиосферной бури, максимальной по интенсивности и продолжительности.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ
Использовались наблюдения фотосферного магнитного поля на Wilcox Solar Observatory (http:// quake.Stanford.edu/~WSO). В эти наблюдения вносились поправки на насыщение в линии измерения по формуле (4.5—2.5)sin29 (ф — гелиоширо-та), как рекомендовано в работе [Ulrich, 1998]. По этим данным определялись первые 10 коэффициентов ряда сферических гармоник с помощью
оригинальной методики ISOPAK, использующей метод наименьших квадратов [Харшиладзе и Иванов, 1994]. Путем синтеза этих гармоник получаем карты крупномасштабного открытого (уходящего в межпланетную среду) поля на поверхности источника (сферическая поверхность на расстоянии 2.5Rs от центра, Rs — радиус Солнца). Эти карты совмещались с картами соответствующих фото-сферных источников этого поля, полученных проектированием на фотосферу открытых полей с поверхности источника [Levine et al., 1977]. Абсолютные значения магнитных потоков открытого поля рассчитывались по усовершенствованной методике [Иванов и Харшиладзе, 2007].
Далее рассматривалась динамика открытых полей, солнечных вспышек и геомагнитных индексов в последовательности всех солнечных оборотов с июня 2004 до октября 2005 г.
Вспышечный индекс вычислялся по данным ftp://ftp.ngdc.noaa/govSTP/solar data без учета субвспышек, по фо
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.