WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ

И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН им. Н.В. Пушкова

На правах рукописи

УДК 523.98

КЛЕПИКОВ Дмитрий Владимирович

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ПОЛЯРНЫХ ОБЛАСТЯХ СОЛНЦА

01.03.03 – Физика Солнца

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Троицк - 2007

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук Филиппов Борис Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Веселовский Игорь Станиславович

кандидат физ.-мат. наук Иванов Евгений Викторович

Ведущая организация:

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга.

Защита состоится 2007 г. в час мин в конференц-зале ИЗМИРАН на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 по адресу: 142190, Московская область, г. Троицк, ИЗМИРАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН.

Автореферат разослан 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физ.-мат. наук Ю.М. Михайлов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Магнитное поле является первопричиной практически всех активных процессов, протекающих в наблюдаемых слоях Солнца. По-видимому, магнитное поле имеется и в глубине Солнца, во всей толще конвективной зоны, у нижней границы которой, как утверждают современные теории, генерируется основной магнитный поток. Есть предположения, что в ядре Солнца сохранилось реликтовое магнитное поле со времен формирования звезды.

Магнитное поле в атмосфере Солнца не остается постоянным, оно претерпевает сложные структурные изменения в самых различных масштабах, от мелких, локальных и, как правило, быстротечных, до крупномасштабных, затрагивающих всю поверхность сферы. Временная эволюция подчиняется, прежде всего, квазиодиннадцатилетней цикличности, проявляющейся в полях различной интенсивности и разных масштабов.

Магнитное поле полярных областей Солнца представляет большой интерес с точки зрения изучения природы солнечной активности, законов цикличности, теории динамо. Полярные корональные дыры являются источниками быстрого солнечного ветра, оказывающего большое влияние на состояние космической погоды у Земли. Приполярные зоны можно считать относительно спокойными частями солнечной поверхности: здесь никогда не наблюдаются солнечные пятна, вспышки. Протуберанцы и волокна прорываются сюда только в эпоху максимума активности перед переполюсовкой глобального магнитного поля; здесь нет дифференциального вращения, да и, вообще, вращательный момент очень мал. С другой стороны, на фоне этого спокойствия хорошо видны крупномасштабные и долгопериодические изменения, которые, по-видимому, отражают процессы, происходящие в конвективной зоне, области генерации магнитных полей.

Поскольку ось вращения Солнца почти перпендикулярна плоскости эклиптики, полярные области не бывают обращены к Земле и всегда расположены у лимба, где измерения магнитного поля при помощи магнитографа, использующего эффект Зеемана, сопряжены с очень большими трудностями. Поэтому для изучения свойств полярного магнитного поля большое значение имеют более косвенные методы оценки его характеристик. Лучевые корональные структуры хорошо передают форму силовых линий, так как в условиях сильного магнитного поля (малости плазменного параметра ) коэффициенты переноса вдоль поля во много раз больше, чем поперек и все неоднородности плотности вытянуты вдоль магнитных силовых линий. Поведение точек пересечения касательных к лучевым структурам полярной короны, магнитных фокусов, отражает эволюцию крупномасштабного магнитного поля вблизи полюсов Солнца. Это один из немногих источников информации о полярном магнитном поле.

Цель работы

Основной целью работы ставилось изучение изменений геометрии полярных лучевых структур в цикле и связь этих изменений с динамикой глобального магнитного поля Солнца. Для выполнения этой задачи необходимо было:

  1. Разработать методику обработки большого числа снимков SOHO/EIT для нахождения касательных к полярным лучевым структурам и глубины залегания магнитных фокусов.
  2. Исследовать проведение магнитных фокусов по ежедневным данным SOHO/EIT в течение 23-го солнечного цикла и сравнить полученную зависимость величины q от времени с имевшимися ранее данными по затменным наблюдениям солнечной короны.
  3. Найти связь изменений положения магнитных фокусов с эволюцией глобального магнитного поля Солнца.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые:

  1. Проанализированы ежедневные данные по структуре полярной солнечной короны вблизи лимба в 23-м цикле в линии железа FeIX/X 171.
  2. Обнаружено скачкообразное уменьшение величины q во время переполюсовки глобального магнитного поля Солнца.
  3. Дано объяснение понижению положений магнитных фокусов в эпоху максимума активности, несмотря на повышение относительного веса мультиполей высоких степеней в разложении глобального поля.
  4. Предложена простая модель эволюции глобального поля, состоящая из двух компонент поля разного пространственного масштаба с фазовым сдвигом около половины цикла солнечных пятен, которая удовлетворительно описывает поведение магнитных фокусов в цикле.

Научное и практическое значение работы

Результаты, полученные в данной работе важны для понимания связи эволюции полярного магнитного поля с динамикой глобального поля Солнца в течение цикла солнечной активности. Продемонстрирована перспективность использования косвенных методов в изучении структуры магнитного поля в полярных областях Солнца.

Разработанные методы и компьютерная программа могут быть использованы для анализа лучевой и волокнистой структуры астрономических объектов.

Разрешено противоречие между поведением магнитных фокусов в цикле и изменением весов различных гармоник в разложении глобального магнитного поля Солнца по мультиполям. Показано, что геометрия полярных лучевых структур может быть инструментом исследования глобального поля.

Положения, выносимые на защиту

  1. Полученная на основе ежедневных снимков короны Солнца зависимость положение магнитных фокусов от времени в течение полного цикла активности.
  2. Объяснение уменьшения величины параметра q вблизи максимума, несмотря на повышение относительного веса мультиполей высоких степеней в разложении глобального поля.
  3. Модель эволюции глобального поля, состоящая из двух компонент поля разного пространственного масштаба с фазовым сдвигом около половины цикла солнечных пятен, которая удовлетворительно описывает поведение магнитных фокусов в цикле.

Личный вклад автора

Автором разработана и реализована методика поиска полярных лучевых структур, их осей и нахождения пересечения касательных к полярным лучевым структурам с осью вращения Солнца на изображениях короны, создана компьютерная программа полуавтоматического поиска магнитных фокусов. Обработано около трех с половиной тысяч ежедневных снимков короны, полученных SOHO/EIT, и найдены положения магнитных фокусов для каждого дня наблюдений. Вся статистическая обработка результатов проведена автором самостоятельно.

Автором получены снимки солнечной короны в видимом свете при солнечном затмении 29.03.2006 на Кисловодской Горной астрономической станции ГАО, проведен сравнительный анализ с наблюдениями космической обсерватории SOHO.

Автор участвовал на всех стадиях исследования связи поведения магнитных фокусов с эволюцией глобального поля, разработке модели, адекватно описывающей это поведение.

Апробация

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

-- Симпозиуме Международного астрономического союза № 223 «Multi-Wavelength Investigations of Solar Activity» (г. Санкт Петербург, 14-19 июня 2004)

-- Первом международном симпозиуме по космическому климату (г. Оулу, Финляндия, (20- 23 июня 2004 г.)

-- Всероссийской конференции «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности» (г. Троицк, 10-15 октября 2005 г.)

-- X Пулковской международной конференции по физике Солнца «Квазипериодические процессы на Солнце и их геоэффективные проявления» (г. Санкт Петербург, 6-8 сентября 2006 г.)

-- на семинарах ИЗМИРАН.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых научных журналах и 2 статьи в трудах конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации 103 страницы включая 42 рисунка, 1 таблицу и 85 библиографических ссылок.

Содержание работы

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы исследований, указываются цели работы, место и роль выполненной работы в общем контексте научных исследований по данной тематике, показана новизна результатов и их практическая значимость. Сформулированы основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе дается краткий обзор современных сведений о магнитном поле Солнца его эволюции в ходе солнечного цикла. Обращено особое внимание на полярные области Солнца, которые представляют большой интерес как с точки зрения изучения эволюции глобального магнитного поля, теории его происхождения, цикличности, так и с точки зрения воздействия Солнца на межпланетную среду, проблемы ускорения солнечного ветра и прогнозирования геоэффективных явлений.

В первом параграфе перечислены основные экспериментальные данные о магнитных полях на Солнце. Отмечается, что их можно разделить на сильные, сосредоточенные в пятнах и активных областях, и слабые, покрывающие практически всю поверхность Солнца. Слабые поля могут иметь больший пространственный масштаб, так что их суммарный магнитный поток значительно превышает поток активных областей в минимуме, начале роста и конце спада активности и всего лишь вдвое меньше его в максимуме. Наблюдения с высоким пространственным разрешением показали, что и в областях слабого поля магнитный поток образуется отдельными крошечными элементами сильного поля ~1 кГс.

Во втором параграфе речь идет о глобальном поле Солнца. Хотя регулярного и постоянного магнитного поля, такого как, скажем, у Земли, у Солнца нет, это не значит, что магнитные поля на Солнце совершенно хаотические. Имеется определенная организация распределения полей по поверхности и во времени, имеющая, впрочем, и стохастическую составляющую. Самой заметной особенностью солнечного магнитного поля является его цикличность, имеющая полный период около 22 лет. В сферическом слое, толщиной около двух радиусов Солнца, магнитное поле достаточно хорошо соответствует потенциальному приближению, которое широко применяется для расчетов поля выше фотосферы, где прямые измерения пока невозможны. На внешней границе сферического слоя принимается условие радиальности поля, а на внутренней – распределение радиальной компоненты, следующее из магнитографических измерений в фотосфере. Решение обычно находится в виде разложения по сферическим функциям.

В третьем параграфе обсуждается магнитное поле полярных областей Солнца, которое представляет большой интерес с точки зрения изучения природы солнечной активности, законов цикличности, теории динамо. Полярное поле долгое время полагали состоящим из остатков хвостовых частей активных областей, возникших в более низких широтах и продрейфовавших в направлении полюсов (хвостовые части изначально ближе к полюсам), однако появляется все больше данных о более самостоятельной роли полярного поля.

В четвертом параграфе подчеркивается, что из-за сложности измерения магнитного поля в полярных областях первостепенное значение приобретают косвенные методы получения информации о поле. Одним из наглядных индикаторов геометрии поля вблизи полюсов являются полярные перья. Количественной величиной, характеризующей расходимость силовых линий, служит расстояние q от центра диска Солнца до точки пересечения касательных к полярным лучам – магнитного фокуса. Положение фокусов меняется в ходе солнечного цикла, отражая эволюцию глобального поля (рис. 1), причем поведение фокусов кажется противоречащим данным гармонического анализа поля в цикле. Обосновывается необходимость детального исследования изменений q в цикле, которое стало возможным благодаря ежедневным наблюдениям короны из космоса.

Рис. 1. Изменение параметра q в зависимости от фазы солнечного цикла (от максимума = -1 до следующего максимума = 1) по наблюдениям короны во время полных солнечных затмений с 1871 по 1961 гг. – пустые кружки (Несмянович, 1962, Астрон. журн. 39, 996). Черные квадратики – значения q в 23-м цикле по наблюдениям затмений.

Во второй главе описывается наблюдательный материал, служащий основой для исследования поведения магнитных фокусов в ходе 23 цикла солнечной активности. Это снимки короны в ультрафиолетовом диапазоне, получаемые с помощью телескопа EIT космической обсерватории SOHO. В первом параграфе приведены некоторые сведения об этом космическом аппарате и о телескопе. Наиболее подходящим по четкости, выраженности и контрастности полярных перьев оказался канал 171 , содержащий спектральные линии ионизированного железа Fe IX/X.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»