ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 40, № 10, с. 729-732
УДК 524.3
СЕВЕРО-ЮЖНАЯ АСИММЕТРИЯ СОЛНЕЧНОГО ДИНАМО В ТЕКУЩЕМ ЦИКЛЕ АКТИВНОСТИ
© 2014 г. Л. Л. Кичатинов1,2*, А. И. Хлыстова1
1 Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск 2Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 01.04.2014 г.
Предложено объяснение северо-южной асимметрии в обращении знака полярного магнитного поля Солнца в текущем цикле активности с точки зрения теории динамо. По данным о солнечных пятнах проведены оценки вкладов механизма Бэбкока—Лейтона в генерацию полоидального магнитного поля для текущего цикла солнечной активности. Оценки выполнены отдельно для северного и южного полушарий. В начале цикла северное полушарие давало существенно больший вклад по сравнению с южным. Это, по всей вероятности, явилось причиной более ранней смены знака полярного поля в северном полушарии. Оцененные величины вкладов механизма Бэбкока—Лейтона заметно меньше соответствующих величин для предыдущих солнечных циклов. Можно ожидать относительно малой (<1 Гс) напряженности крупномасштабного полярного поля в следующем минимуме активности.
Ключевые слова: Солнце: активность, Солнце: магнитные поля, динамо.
DOI: 10.7868/80320010814100027
ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабное (усредненное по долготе) магнитное поле Солнца имеет две основные составляющие. Имеется относительно слабое (~1 Гс) полоидальное поле и более сильное тороидальное поле, напряженность которого, если судить о нем по магнитным полям солнечных пятен, составляет тысячи Гаусс. Полоидальное поле, тем не менее, доминирует на высоких широтах, поскольку тороидальное поле в силу своей геометрии обращается в нуль на полюсах. Обе составляющие изменяют знак от цикла к циклу активности Солнца. Поэтому можно говорить об 11-летнем цикле магнитной энергии или цикле солнечных пятен, и о 22-летнем магнитном цикле.
Обращение знака полярного полоидального поля происходит вблизи максимума активности солнечных пятен. Текущий 24-й солнечный цикл отличается относительно большой северо-южной асимметрией инверсии полярного поля: знак поля на северном полюсе изменился более чем на год раньше, чем на южном (Свалгард, Камиде, 2013; Беневоленская, 2013; Мордвинов, Язев, 2014). Данная статья предлагает объяснение этого обстоятельства с точки зрения теории динамо.
Электронный адрес: kit@iszf.irk.ru
Теория динамо солнечной активности объясняет магнитные циклы действием двух основных эффектов: генерацией тороидального поля из полоидального дифференциальным вращением и обратным преобразованием тороидального поля в полоидальное относительно мелкомасштабными циклоническими движениями (см., например, монографию Паркера, 1982). Первый из этих эффектов принято называть О-эффектом, а второй — а-эффектом. Механизм динамо действует в глубине конвективной зоны Солнца. Данные наблюдений о его основных эффектах крайне ограничены. Поэтому большое значение имеют полученные в последние годы по данным о солнечных пятнах свидетельства о присутствии одной из разновидностей а-эффекта, известной как механизм Бэбкока— Лейтона, на Солнце (Ерофеев, 2004; Даси-Эспиг и др., 2010; Олемской и др., 2013). По всей вероятности, а-эффект Бэбкока—Лейтона является основным для Солнца (Чудури, 2011; Кичатинов, Олемской, 2012). Особенностью этого эффекта является возможность оценки его вклада в формирование полоидального поля по данным о солнечных пятнах. В данной статье для такой оценки используется каталог DPD (Гиери и др., 2011; Лефевр, Клетт, 2014). Оценки проведены отдельно для северного и южного полушарий. Как мы увидим, на фазе роста текущего цикла активности
730
КИЧАТИНОВ, ХЛЫСТОВА
вклад механизма Бэбкока—Лейтона для северного полушария существенно превышал аналогичный вклад южного полушария. Это, по всей вероятности, и было причиной более раннего обращения знака северного полярного поля.
МЕТОД
Механизм Бэбкока—Лейтона связывают с правилом Джоя для групп солнечных пятен: лидирующие во вращательном движении пятна расположены в среднем ближе к экватору, чем ведомые. Ведущие и ведомые пятна, как правило, имеют противоположные полярности магнитного поля. Угол а между локальной солнечной параллелью и линией, соединяющей центры тяжести противоположных магнитных полярностей, считается положительным, если полярность, соответствующая ведущим пятнам данного цикла, располагается ближе к экватору и отрицательным в противоположном случае. Правило Джоя утверждает, что среднее значение угла наклона а положительно и возрастает с широтной (Хейл и др., 1919). Магнитные поля активных областей содержат полоидальные составляющие, которые при распаде этих областей дают вклад в общее полоидальное поле Солнца. Данный механизм генерации полоидального поля был предложен Бэбкоком (1961) и впервые применен в модели динамо Лейтоном (1969). При распаде активной области и последующем диффузионном распределении ее магнитных полей солнечной поверхности большая часть магнитного потока теряется из-за взаимного гашения магнитных полей противоположного знака. Лишь малая часть (~0.1%) суммарного магнитного потока активных областей дает вклад в новое глобальное полоидальное поле (Шарбоне, 2010).
Была предложена следующая оценка вклада а-эффекта Бэбкока—Лейтона в полоидальное магнитное поле (Кичатинов, Олемской, 2011):
B = Si¿г sin ai, (1)
i
где суммирование ведется по активным областям Солнца, S — площадь наибольшего пятна (включая полутень) в активной области в миллионных долях солнечной полусферы, Í — расстояние между центрами тяжести пятен противоположных полярностей в километрах, а — угол наклона. Входящие в правую часть (1) величины берутся для времени максимального развития группы пятен. Величина B (1) пропорциональна суммарному вкладу активных областей в крупномасштабное полои-дальное поле. Напряженность магнитного поля в солнечных пятнах изменяется в не очень широких
пределах вблизи 3000 Гс. Поэтому магнитный поток активной области считается пропорциональным площади S. Полоидальная составляющая магнитного поля активной области пропорциональна проекции расстояния í на меридиональное направление, т.е. величине í sin а, и меняет знак при обращении знака этой величины. Поэтому разложение вклада активной области в полоидальное поле должно вестись по нечетным степеням í sin а. В формуле (1) сохранен лишь первый член разложения по малому параметру í sin а/R®.
Оценки величин B для отдельных солнечных циклов хорошо коррелируют с величиной полярного поля в минимумах активности, следующих за данными циклами (Олемской и др., 2013). Это свидетельствует об участии а-эффекта Бэбкока— Лейтона в солнечном динамо. В данной статье суммирование в (1) проводится отдельно для северного и южного полушарий Солнца. Различие вкладов полушарий в полоидальное поле используется для объяснения наблюдаемой северо-южной асимметрии полярного поля. Входящие в формулу (1) параметры брались из каталога DPD солнечных пятен (http://fenyi.solarobs.unideb.hu/DPD/index.html; Гиери и др., 2011). Данные о полярном магнитном поле Солнца взяты из каталога Wilcox Solar Observatory (http://wso.stanford.edu/Polar.html; Свалгард и др., 1978).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 показаны величины B для северного и южного полушарий как функции времени. В суммировании по формуле (1) учитывались активные области от последнего минимума активности до момента времени, от которого и зависит B. Вклады обоих полушарий в полоидальное поле не являются монотонно возрастающими со временем. В некоторые моменты происходят уменьшения этих вкладов. Это связано с тем, что распределение значений углов наклона а является довольно широким и захватывает отрицательную область (см., например, рис. 11 в обзоре Говарда, 1996). Иными словами, а-эффект Бэбкока—Лейтона подвержен значительным флуктуациям (Олемской и др., 2013). Причиной флуктуаций могут быть как крупномасштабные течения в конвективной зоне Солнца, через которую проходят всплывающие на поверхность магнитные поля активных областей, так и наложение флуктуационных магнитных полей на глобальное тороидальное поле, подверженное неустойчивости всплывания (Хлыстова, Соколов, 2009).
Флуктуации играют важную роль в солнечном динамо. С ними связывают изменчивость амплитуд и продолжительностей циклов активности, и даже
СЕВЕРО-ЮЖНАЯ АСИММЕТРИЯ 731
Рис. 1. Величины В, рассчитанные по формуле (1), отдельно для северного (сплошная линия) и южного полушарий (пунктир). Суммирование ведется от последнего минимума солнечной активности до текущей даты. Поэтому величины В зависят от времени.
0.6 —I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г
0.4
_0 6_1_1_1_1_1_1_1_1_'_1_1_1_1_1_1_1_1_'_1_1_1_1_1_1_1_1_'_1_1_1_1_1_1_1_1_'_1_1_1_1_1_1_1_1_
2009 2010 2011 2012 2013 2014
Время, годы
Рис. 2. Среднее магнитное поле северной (сплошная линия) и южной (пунктир) полярных зон Солнца в текущем цикле активности по данным ШБО.
явления глобальных минимумов (Чудури, Карак, 2012). Они также могут приводить к северо-южной асимметрии магнитной активности (Олемской, Кичатинов, 2013). Как видно из рис. 1, в начале текущего солнечного цикла северное полушарие давало больший вклад в формирование нового полоидального поля, чем южное. К концу 2013 г. вклады сравнялись и к началу 2014 г. величина B для южного полушария даже превысила соответствующую величину для северного полушария.
Рисунок 2 показывает, что обращение знака полярного поля северного полушария произошло в середине 2012 г., когда величины B обоих полушарий уже сравнялись. а-эффект Бэбкока—Лейтона действует там, где имеются активные области, т.е. на средних и низких широтах. В соответствии с этим смена знака полоидального поля происходит сначала на средних широтах и требуется более года для того, чтобы "новое" полоидальное поле достигло полярных широт (Мордвинов, Язев, 2013, 2014).
732
КИЧАТИНОВ, ХЛЫСТОВА
Инверсии полярного поля рис. 2 определяются более ранними по времени значениями величин B. В эти более ранние эпохи вклад северного полушария доминирова
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.