«ВСЕРОССИЙСКАЯ ЕЖЕГОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФИЗИКЕ СОЛНЦА СОЛНЕЧНАЯ И СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА – 2011 ТРУДЫ Санкт-Петербург 2011 Сборник содержит доклады, представленные на Всероссийской ежегодной конференции Солнечная и ...»

В работе предложена система удержания на активной области, которая была внедрена в солнечный патрульный оптический телескоп кисловодской горной астрономической станции ГАО (ГАС ГАО). Cистема позволяет производить поиск активных областей, автоматический переход на найденную активную область с последующим удержанием на ней. Достигнутое временное разрешение 1 мин.

Удержание на активной области становится возможным после определения её места положения на диске при помощи полного сканирования диска Солнца. В солнечном патрульном телескопе ГАС ГАО имеются следующие датчики [1–3]:

• датчик положения главного зеркала;

• фотосенсор для часового видения.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Также имеется возможность присвоения порядкового номера каждому отснятому кадру от 1 до N. Алгоритм поиска активной области с последующим переходом на неё и постоянным удержанием определяется из рассмотрения рис. 1 с изображением временных диаграмм сигналов.

Рис. 1. Временные диаграммы для определения алгоритма поиска Моменты t1 и t3 определяют время начала и окончания сканирования диска Солнца. В момент времени t2 диск Солнца проходит по центру фотосенсора, при котором отклонение главного зеркала, регистрируемое датчиком положения типа LVDT равно нулю. Все моменты времени от t1 до t проквантованы отсчетами, взятыми в моменты регистрации кадров спектра. Пусть детектор активной области, в качестве которого выступает обычный пиковый детектор, зафиксировал в N-ом кадре в момент tа активную область. Номер кадра определяет номер элемента массива, содержащего значения напряжений с фотосенсора и с датчика LVDT.

Система автоматической наводки и гидирования телескопа [2] содержит ПИД-регулятор, который в качестве входного сигнала принимает сигСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября нал от фотосенсора и выдает управляющее воздействие на контроллер шагового двигателя часового привода с целью удержания центра диска Солнца на входной щели спектрографа. Опорное значение напряжения с фотосенсора, при котором центр диска располагается на щели, подбирается в процессе настройки телескопа. Таким образом, приведение активной области на щель с последующим удержанием на ней возможно при помощи изменения значения опорного напряжения, определенного из значений напряжений с фотосенсора в момент времени tа.

При детектировании активных областей возможна ситуация, когда детектор выделит на диске несколько максимумов на различной долготе. В этом случае необходимо вводить систему приоритетов для последующего перехода. В качестве основного можно предложить детектирование максимумов в ядре линии и в красном, и синем крыле. В этом случае высока вероятность обнаружения очага зарождения вспышки и появляется возможность фильтрации спокойных флоккулов. В качестве второго варианта можно предложить поиск минимумов в крыльях линии. Эти минимумы будут свидетельствовать о наличие пятен на поверхности фотосферы.

Учитывая нестабильность системы часового ведения, активная область будет дрейфовать относительно щели. Поэтому регистрация изменений интенсивности в области должна сводиться к сканированию этой области. Границы сканирования области определяются по уровню спокойного Солнца.

В заключение необходимо дать несколько рекомендаций по реализации данной системы:

1. Использовать датчики с линейной функцией преобразования.

2. В качестве фотосенсора использовать ССD-линейки.

Работа поддержана НШ-3645.2010.2.

1. Середжинов Р.Т. Система управления солнечного оперативного телескопа кисловодской горной астрономической станции / Р.Т. Середжинов, А.Г. Тлатов, А.Д.

Шрамко, Д.В. Дормидонтов // Солнечная и солнечно-земная физика – 2009: материалы Междунар. науч. конф.: СПб: ГАО РАН, 2009.

2. Середжинов Р.Т. Система автоматической наводки и гидирования патрульного телескопа. / Р.Т. Середжинов, Д.В. Дормидонтов // Солнечная и солнечно-земная физика – 2010: материалы Междунар. науч. конф.: СПб: ГАО РАН, 2010.

3. Середжинов Р.Т. Солнечный патрульный оптический телескоп / Р.Т. Середжинов, А.Х. Алиев, Д.В. Дормидонтов // III-молодежная конференция. Пулково, 2010: «Известия ГАО РАН. Специальный выпуск, 2011»: СПб: ГАО РАН, 2011.

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

И КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ПОТОКИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА И

ВАРИАЦИИ Dst-ИНДЕКСА в 19–23 СОЛНЕЧНЫХ ЦИКЛАХ Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН, г. Троицк Московской обл., 142190, Russia;

THE SOLAR WIND HIGH-SPEED STREAMS AND Dst INDEX

N.V. Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Accad. оf Sciences, Troitsk of Moscow region, 142190, Russia;

We have studied variations of equatorial Dst index in 19-23 solar cycles to display favorable conditions in interplanetary space which can have an influence on climate change.

27-day average variations of Dst index and the solar wind parameters have been compared with sunspot numbers for 19-23 solar cycles. Superposed epoch results show Dst variations were the most intensive in 19 and 22 solar cycles. During these unique solar epochs the solarwind high-speed streams occurred frequently and were the primary contributor to the recurrent storms. It signifies that corotating interaction regions respond to low density high-speed solar wind streams and the resultant geomagnetic storms in Dst had been associated with large, long-lived low latitude solar coronal holes during descending phases of solar activity.

The maximum in 27-day average Dst variations was observed in 19th solar cycle in spite of the fact that this solar cycle was the most strong in 19-23 solar cycles. In general, Dst - variations as cosmic ray variations were going after the solar activity in these solar cycles. Climate change in connection with evolution of Dst variations are discussed.

Высокоскоростные потоки солнечного ветра Источником долгоживущих высокоскоростных потоков (ВСП) солнечного ветра с низкой плотностью являются корональные дыры (КД) [1].

Реккурентные магнитные бури являются следствием столкновения ВСП с магнитосферой Земли и повторяются в течение многих оборотов Солнца.

Кинг [2], описывая базу данных OMNI, обнаружил, что максимум длиннопериодных вариаций скорости солнечного ветра наблюдается в фазы спада солнечной активности. Этот результат был повторен во многих статистических исследованиях солнечного ветра. В связи с тем, что магнитные бури влияют на многие процессы в земной магнитосфере и атмосфере, включая и возможное их влияние на изменения климата, в данной работе мы рассмотрим 27-дневные средние скорости солнечного ветра и связанные с ними вариации Dst-индекса и космических лучей (КЛ) в 19–23 солнечных циклах.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Рис. 1. 27-дневные средние в 19–23 солнечных циклах: a) R – число солнечных пятен, b) – плотность солнечного ветра в cm–3, c) – скорость солнечного ветра в км/сек, d) – Dst-индекс в nT. Овалами отмечены наиболее долгоживущие ВСП с пониженной плотностью (от 1 до 2 лет) и соответствующие им Dst – вариации, e) – вариации интенсивности КЛ в Оулу – http://cosmicrays.oulu.fi/ На рис. 1 представлены 27-дневные средние плотности и скорости солнечного ветра в 19–23 солнечных циклах (1964–2010 гг.), Dst-индекс в 19–23 солнечных циклах (OMNI 2) и вариации скорости счета КЛ в Оулу.

Овалами отмечены наиболее долгоживущие ВСП (от 1 до 1,5 лет) с пониженной плотностью и соответствующие им понижения в Dst – вариации.

Максимальные скорости солнечного ветра наблюдаются в минимумах и фазах спада солнечной активности. Как видно из Dst – вариаций, эти ВСП геэффективны, и умеренные реккурентные магнитные бури наблюдаются, благодаря этим потокам, даже в минимумах цикла солнечной активности.

Особенно долгоживущие ВСП (продолжительностью около 2-х лет) наблюдались в 20 и 23 циклах солнечной активности. Эти ВСП наблюдались «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября и на спутнике Ulysses [3]. По измерениям спутника Ulysses и спутника ACE и усредненные по солнечным оборотам: скорость, плотность и динамическое давление солнечного ветра, представлены на рис. 2 на котором интервалы, когда Ulysses находился ±30° в пределах эклиптики, затемнены. В этих областях скорость, плотность и динамическое давление солнечного ветра практически совпадают, а динамическое давление солнечного ветра продолжает количественно совпадать, даже когда Ulysses находился на высоких широтах. Корональная дыра 2003–2005 гг., отмеченная овалом на рис. 1 и рис. 2, наблюдалась как на спутнике Ulysses, так и на ACE.

COUNT RATE OULU NEUTRON MONITOR

Рис. 2. Скорость, плотность и динамиче- Рис. 3. 27-дневные средние скорости счета ское давление солнечного ветра, усред- КЛ нейтронного монитора на станции ненные по данным спутников Ulysses и Оулу в зависимости от Dst-индекса 1964– Таким образом, как видно из рис. 1 и рис. 2, геоэффективность ВСП проявляется в Dst со среднегодовыми значениями около – 40 в минимумах цикла солнечной активности. Особенно долгоживущие ВСП (1–2 года) наблюдались в 20 и 23 циклах солнечной активности. Максимальные среднегодовые значения Dst-индекса до +5 nT наблюдались в минимуме 19 цикле СА, несмотря на то, что в этом цикле наблюдалось наибольшее число солнечных пятен из представленных циклов СА. В последнем, наиболее спокойном 23 минимуме цикла СА, среднегодовой Dst-индекса составлял –5 nT.

Долговременные вариации космических лучей и Dst вариации С тех пор как Форбуш обнаружил понижение скорости счета космических лучей во время магнитных бурь, вариации КЛ многократно сопоставлялись с поведением различных индексов СА, параметрами солнечного «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября ветра и геомагнитными индексами. Связь Форбуш понижений КЛ во время геомагнитных бурь от различных источников в межпланетной среде, включая ВСП, представлена в работе Кэйна [4]. Пудовкиным и Распоповым [5] предложен механизм воздействия солнечной и геомагнитной активности на изменение прозрачности атмосферы под воздействием КЛ, который объясняет непрерывные изменения метеопараметров и климата.

Предложенный механизм активно обсуждается в многочисленных работах последних лет. В нашей работе рассмотрены 27-дневные вариации космических лучей и Dst-индекса в 19–23 циклах СА, представленные на рис. (панели d и e). Из сопоставления вариаций скорости солнечного ветра, Dstиндекса и скорости счета КЛ на нейтронном мониторе Оулу, четко прослеживается связь между ВСП, геомагнитными бурями и вариациями КЛ на фазах спада СА во всех рассмотренных циклах. Понижения Dst-индекса сопровождаются соответствующими спадами скорости счета КЛ. На рис. представлена зависимость скорости счета КЛ нейтронного монитора на станции Оулу от Dst-индекса 1964–2010 гг. Несмотря на невысокий коэффициент корреляции, который, по-видимому, обусловлен большим разбросом скорости счета КЛ во время сильных геомагнитных бурь, из рисунка можно видеть, что чем интенсивнее магнитные бури, тем меньше скорость счета КЛ. Поскольку в большинстве работ долговременные вариации КЛ сопоставляются с числом солнечных пятен, которые не учитывают присутствие КД и других солнечных источников ВСП, важно выявить эти эффекты. Как показывают наши результаты, Dst-индекс отражает присутствие ВСП на спадах цикла СА и использование долговременных Dst-вариаций может быть полезно для исследования таких сложных процессов как солнечная активность и климат.

Из представленной работы следует, что долгоживущие высокоскоростные потоки солнечного ветра от корональных дыр отражаются в вариациях Dst-индекса и проявляются в изменениях интенсивности космических лучей.

1. Tsurutani B.T. et al. Corotating solar wind streams and recurrent geomagnetic activity: A review. J. Geophys. Res. 111, A07S01, doi:10.1029/2005JA011273, 2006.

2. King, J.H. Long-term solar wind variations and associated data sources, J. Geomag.

Geoelectr., 43 Suppl., 865–880, 1991.

3. McComas D.J. et al. Weaker solar wind from the polar coronal holes and the whole Sun.

Geoph. Res. Lett, V. 35, L18103, doi:10.1029/2008GL034896, 4. Cane, H.V. Coronal mass ejections and Forbush decreases. Space Sci. Rev., 93, 55–77, 5. Pudovkin, M.I., Raspopov, O.M. The mechanism of action of solar activity on the state of the lower atmosphere and meteorological parameters (a review).Geomagn. and Aeronomy. 32, 593–608, 1992.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ВОЗМОЖНО ЛИ УДАРНОЕ ВОЗМУЩЕНИЕ ПЛАНЕТАРНОЙ

МАГНИТОСФЕРЫ ИЗ-ЗА ВЛИЯНИЯ СТАЦИОНАРНОГО

ТАНГЕНЦИАЛЬНОГО РАЗРЫВА СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА?

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН

IS THE SHOCK PERTURBATION OF THE PLANETARY

MAGNETOSPHERE POSSIBLE DUE TO THE EFFECT OF THE

SOLAR WIND STATIONARY TANGENTIAL DISCONTINUITY?

The interaction of the solar wind tangential discontinuities (TD) increasing and decreasing the density of the charged particles with the bow shock-magnetosphere of the Earth system in the frame of the MHD approximation is studied. The transfer of the bow shock from the fast to slow mode for the sufficient velocity shear across TD is indicated. The appearance of positive sudden geomagnetic impulses for TD with the increase of the solar wind density and a gradual decrease of the geomagnetic field for TD with the decrease of the density is briefly discussed.

Во многих научных работах по гелиофизике и солнечно-земной физике обращается внимание на воздействие солнечных ударных волн на систему магнитосфера – головная (или носовая) ударная волна, расположенную с подсолнечной стороны перед сверхмагнитозвуковым потоком солнечного ветра. При этом уже давно было принято в геофизике связывать часто происходящее в поведении геомагнитного поля внезапное начало геомагнитной бури (SSC) c приходом вспышечной ударной волны в околоземное космическое пространство. Поведение этой волны сжатия в плазме солнечного ветра хорошо описывалось известными в магнитной гидродинамике (МГД) условиями динамической совместности, выражающими законы сохранения, представленные в интегральном виде. Одним из первых Л.Ф. Бурлага [1–3] обратил внимание на стационарный сильный разрыв (обычно именуемый разрывом направления [2]), встречающийся в потоке солнечного ветра чаще, чем нестационарная ударная волна, который движется вместе с потоком и относится к так называемой структуре с постоянным давлением pbs [3]. Этот разрыв при выполнении определённых условий является МГД тангенциальным разрывом (ТР или ТD) и может вызвать сильное возмущение магнитосферы Земли и, соответственно, внезапный геомагнитный импульс [4–6]. В одной из геофизических работ [7] впервые было численно рассмотрено в одномерном приближении взаимодействие тангенциального разрыва с головной ударной волной перед магСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября нитосферой Земли, показано возникновение быстрой МГД волны, преломленной внутрь магнитослоя, и указано на важную роль изменения плотности заряженных частиц при переходе через ТР. В работе [8] исследовалось взаимодействие солнечной быстрой ударной МГД волны с границей коронального стримера, представляемой в виде ТР. При этом в отличие от предыдущей работы [7] применялся МГД метод ударных поляр [9, 10].

Представляется целесообразным этим же способом применить этот метод и к решению задачи о столкновении ТР с фронтом головной ударной волны и с магнитосферой Земли, при котором ТР может быть изолированным или представлять границу магнитного облака [11].

Постановка задачи, анализ и обсуждение На систему головная ударная волна – магнитосфера Земли со стороны солнечного ветра падает переносимый потоком ветра стационарный МГД тангенциальный разрыв ТР. Требуется определить нелинейное возмущение системы и изменение в состоянии ТР. Плотность плазмы на ТР может расти или падать, нормальные же компоненты магнитного поля и скорости потока по отношению к ТР равны 0. Основным условием существования ТР является непрерывность полного давления при переходе через разрыв.

Процесс рассматривается локально с переходом в систему координат, связанную с точкой пересечения МГД разрывов. Задача стационарна, автомодельна и плоскополяризована. Начальные параметры плазмы: число Маха потока солнечного ветра М = 8, величина плазменного давления = 1, скачки плотности величины магнитного поля и скорости плазмы определяются интенсивностью тангенциального разрыва. Угол между вектором межпланетного магнитного поля и скоростью солнечного ветра полагается равным 45, наклон тангенциального разрыва по отношению к потоку плазмы совпадает с указанной величиной.

Столкновение тангенциального разрыва солнечного ветра (рис. 1) [3] с фронтом головной ударной волны (рис. 2) может строго рассматриваться как частный случай решения задачи Римана-Кочина о распаде произвольСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября ного разрыва при указанных выше условиях по МГД методу, изложенному для корональной плазмы [8].

Основной принцип, который используется при решении задачи о распаде произвольного разрыва, заключается в том, что сумма скачков физической величины при переходе через волну (ударную, простую или особый разрыв) должна равняться скачку этой величины на начальном разрыве:

где 0 – начальный разрыв величины а, под которой можно понимать соответственно энтропию S, плотность, компоненты скорости Vx, Vy, Vz, и компоненты магнитного поля By, Bz. Индексы “f”, “s” относятся соответственно к быстрой и медленной волнам, а "А" к альфвеновскому разрыву.

Для фронта ударной волны считаем выполненными магнитогидродинамические уравнения Рэнкина-Гюгонио. Тогда параметры потока за набегающей волной солнечного ветра и за головной ударной волной могут быть найдены по методу и формулам, приведённым в [12]. Для быстрых S+ и медленных ударных волн S– имеем:

U, V – компоненты вектора скорости. Верхний знак в формулах соответствует волне, идущей вверх, нижний – вниз по потоку. Для быстрой (R+) или медленной (R-) волны разрежения будем иметь другие соотношения:

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября где – показатель политропы, R+ - быстрая волна разрежения, R- – медленная, q± – решение дифференциального уравнения:

Применяем систему МГД дифференциальных уравнений с использованием пяти интегральных инвариантов [8] в характеристическом виде для пяти неизвестных: плотности, переменных годографа скорости V и, индукции магнитного поля B=H, газокинетического давления Р:

направленных под углами + к линии тока;

= const = C1 – всюду в области течения;

I 4 = = const = C – вдоль линий тока;

I 5 = C2 – интеграл Бернулли вдоль линии тока.

Интегральные инварианты дают возможность описывать непрерывное течение вне разрывов, ударные же волны и волны разрежения описываем МГД соотношениями (2)–(4) вместе с условиями существования ТР [3].

Решая задачу о распаде произвольного разрыва при взаимодействии ТР (с ростом плотности на нём) с головным фронтом, получаем величину эффективного числа Маха для быстрой МГД ударной волны, возникающей в магнитослое, большую 1(Ме = 3.5 для TP cо скачком плотности в солнечном ветре, равным 3), и для ТР с уменьшением плотности – плавное понижение величин параметров плазмы в магнитослое на быстрой волне разрежения. Затем в первом случае быстрая ударная волна отразится от магнитопаузы как быстрая волна разрежения и преломится внутрь магнитосферы в виде слабой быстрой ударной волны сжатия. Во втором случае в магнитосферу проникнет МГД быстрая волна разрежения.

Имеется много данных, говорящих о наличии связи между приходом ТР с увеличением плотности при переходе через него и внезапным возмуСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября щением геомагнитного поля SSC или SI+ [4]. Этот импульс непосредственно связан с ударным сжатием магнитосферы.

Рассмотрим событие, связанное с приходом ТР с уменьшением плотности на нём в околоземное космическое пространство. По данным космического аппарата АСЕ 7 апреля 2000 года наблюдалось падение величины плотности частиц и увеличение величины ММП (рис. 3), характеризующее приход ТР [6].

Рис. 3. Параметры плазмы и магнитного поля солнечного ветра по событию 7.04.2000 г. при переходе через ТР по данным аппарата ACE Вслед за приходом ТР через 2–3 минуты на многих низкоширотных обсерваториях наблюдалось одновременное падение величины геомагнитного поля (рис.4), по-видимому, связанное с влиянием ТР и возникновением МГД быстрой волны разрежения.

Рис. 4. Вариация геомагнитного поля на обсерваториях в Гонолулу, В рамках МГД приближения получены следующие результаты:

1. Взаимодействие стационарного тангенциального разрыва (ТР) с системой головная ударная волна – магнитосфера Земли приводит к возСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября никновению преломлённой в магнитослой волны: быстрой ударной волны для ТР с ростом плотности при переходе через него и быстрой волны разрежения для ТР с уменьшением плотности на нём.

2. Разрыв скорости на ТР оказывает существенное влияние на фланги головной ударной волны. Головная ударная волна смещается по направлению к магнитопаузе при набегании на неё ТР с ростом плотности, и по направлению к Солнцу для ТР с уменьшением плотности. Для разнонаправленных по разрыву скоростей на ТР головная ударная волна может преобразоваться в медленную ударную волну.

3. Преломлённая в магнитослой быстрая волна разрежения для ТР с уменьшением плотности плавно уменьшает давление потока на магнитосферу и создаёт слабую быструю волну разрежения внутри магнитосферы.

4. Преломлённая внутрь магнитосферы волна является причиной внезапного геомагнитного импульса или внезапного начала геомагнитной бури при ТР с ростом плотности и постепенного уменьшения величины геомагнитного поля при уменьшении плотности на ТР.

Автор выражает благодарность В.Б. Белаховскому за предоставленные геомагнитные и космические данные.

Работа выполнена при поддержке грантом РФФИ 11-01-00235 и в рамках программы ОФН-15.

Burlaga L.F. // Solar Physics, 1968, 4, p. Burlaga L.F. and Ness N.F. // 1969, 9, pp.467–477.

L.F. Burlaga. Interplanetary Magnetohydrodynamics, NY, Oxford Univ. Press, 1995.

TaylorH.E. // Solar Physics, 1969, 6, issue2, pp. 320-334.

Wing S. Sibeck D.G., Wiltberger D., Singer H. // Journ. Geophys. Res., 2002, 107, A8, DOI: 10.1029/2001 JA009156.

6. Maynard N.C., Burke W.J., Ober D.M. et al. // Journ. Geophys. Res., 2007, 112, A12, DOI: 10.1029/2007, JAO12293.

7. Wu B.H., Mandt M.E., Lee L.C., Chao J.K. // Journ.Geophys.Res.,1993, 98, A12, pp.21,297-21,311.

8. Grib S.A., Koutchmy S., Sazonova V.N. // Solar Physics, 1996, 168, pp.151-166.

9. Bazer J. and Ericson W.B. // Proc. of the Symp. on Electromagnetics and Fluid Dynamics of Gaseous Plasma. NY, Polytech.Press, 1961, p.387.

10. Пушкарь Е.А. // Механика жидк. и газа, 1979, №3, c.111–121.

11. Еркаев Н.В. Труды конф. «Физика плазмы в солнечной системе», 17–20.02, 2009.

ИКИ, М., 2009, с.39.

12. Куликовский А.Г., Любимов Г.А. Магнитная гидродинамика, М., Логос, 2005.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

СИММЕТРИЯ ФЛУКТУАЦИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

И СКОРОСТИ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ

Уссурийская астрофизическая обсерватория ДВО РАН

SYMMETRY OF MAGNETIC FIELD AND VELOCITY

FLUCTUATIONS IN THE SOLAR WIND

Anisotropy of hourly fluctuations in the solar wind is investigated by using OMNI- data set. During periods of high solar activity, both magnetic and velocity fluctuations are symmetrical with respect to the local magnetic field direction. During activity minima, however, the symmetry of the solar wind fluctuations is affected by orientation of the solar magnetic dipole. In addition, sign of correlation between velocity and magnetic field variations shows a symmetry with respect to direction of Parker spiral. So, direction of the local-scale magnetic field and global-scale structure of heliosphere both manifest themselves in anisotropy and symmetry of solar wind turbulence.

Хорошо известно, что солнечный ветер (СВ) содержит турбулентные флуктуации, которые из-за присутствия магнитного поля обладают существенной анизотропией. Если локальное магнитное поле B является осью симметрии турбулентности, то благодаря «эффекту замороженной конвекции» наблюдаемые характеристики флуктуаций будут зависеть только от угла между вектором B и направлением течения СВ [1, 3]. Однако на анизотропию турбулентности может влиять и крупномасштабная структура гелиосферы. Так, в [2] была найдена зависимость знака корреляции компонент BX и BZ магнитного поля от ориентации глобального солнечного диполя. Таким образом, анизотропия флуктуаций может зависеть от ориентации магнитного поля относительно одного или нескольких выделенных направлений. Поэтому достаточно общей задачей является определение параметров анизотропии в функции направления магнитного поля, причем с учетом возможного изменения их в ходе солнечного цикла.

Параметры СВ за 1965–2010 гг. взяты из базы данных OMNI-2 [4], временное разрешение ряда 1 ч, векторные величины заданы в координатной системе RTN. Предварительная обработка данных заключалась в исключении интервалов явно нестационарного поведения СВ (окрестности секторных границ, фронты высокоскоростных потоков и т.п.). Обозначим исходные ряды измерений векторов магнитного поля и скорости B(ti) и V(ti). Флуктуации выделялись как приращения этих векторов за один инСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября тервал временной дискретизации t: B(tk) = B(ti+1) – B(ti), V(tk) = V(ti+1) – – V(ti), tk = ti+t/2. Направление магнитного поля задавалось двумя углами – азимутальным (отсчитывается в плоскости RT от направления R) и широтным (отсчитывается на север от плоскости RT). Зависимости параметров плазмы от направления вектора магнитного поля (, ) можно рассматривать как функции, заданные на «координатной сфере» единичного радиуса с центром в точке наблюдения.

Координатная сфера была разбита на 1212 = 144 ячейки одинаковой площади; каждое измерение параметров СВ отнесено к одной из ячеек, в соответствии с направлением B в момент измерения. Каждая из сформированных таким способом 144 выборок данных обрабатывалась независимо, в результате получены интересующие нас параметры как функции направления магнитного поля, заданные в 144 точках координатной сферы. Интересующими нас параметрами являлись направления максимальной дисперсии флуктуаций магнитного поля и скорости, b и v, которые определены хорошо известным способом как собственные векторы соответствующих ковариационных матриц. Рассчитанные векторы b оказались практически лежащими в касательных к координатной сфере плоскостях (очевидно, это следствие известного свойства «почти несжимаемости» флуктуаций СВ).

Поэтому результаты расчетов можно графически представить в виде 2-мерных полей направлений, наложенных на плоскую проекцию координатной сферы.

Рис. 1. Поле направлений b для высокой солнечной активности.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября На рис. 1 представлено поле направлений максимума дисперсии b, для периодов высокой солнечной активности. Видно, что оно обладает хорошо выраженной осевой симметрией с осью L, направление которой близко к направлению течения СВ (последнее показано крестиком на рис. 1). Как отмечалось выше, такое направление оси указывает на локальный характер симметрии. Отметим, что поле направлений b хорошо описывается простым условием ортогональности флуктуаций к локальному магнитному полю и оси симметрии: bbL, b = B/|B|.

Рис. 2. Направления b для минимумов нечетных (вверху) и четных (внизу) В минимумах активности, однако, поля направлений b не обнаруживают осевой симметрии, хотя и обладают значительной когерентностью «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября (рис. 2). При этом поля направлений b для минимумов четных и нечетных циклов являются зеркально-отраженными относительно «экватора» (линии = 0). Таким образом, налицо 22-летний цикл, что указывает на зависимость анизотропии флуктуаций от ориентации дипольного магнитного поля Солнца, а это нелокальный эффект. В [2] была высказана идея, что 22летний цикл в СВ может быть связан с периодическим отклонением некой оси (предполагалось, что это направление распространения альвеновских волн) к северу или к югу от экватора, причем отклонение имеет разный знак в секторах гелиосферы с противоположным направлением регулярного магнитного поля. Несложный расчет показывает, что поля направлений b для минимумов циклов можно действительно довольно точно описать как комбинации из двух осесимметричных составляющих, у которых bbL, но оси симметрии L наклонены на ±40° к плоскости экватора, и знак наклона зависит от ориентации солнечного магнитного диполя.

Обработка данных о скорости СВ показала, что поле направлений v в целом совпадает с b на всех фазах 22-летнего цикла, т.е. имеет те же свойства симметрии. Интересная дополнительная деталь обнаружилась при анализе кросс-ковариационной матрицы флуктуаций магнитного поля и скорости. Эта матрица позволяет не только найти поле направлений максимума дисперсии флуктуаций, но и определить взаимную ориентацию (параллельность или антипараллельность) вариаций магнитного поля и скорости по знаку собственного значения матрицы. Оказалось, что, определенное как функция направления магнитного поля, имеет форму диполя с осью, ориентированной в направлении регулярного магнитного поля (спирали Паркера), а не в радиальном направлении. Это указывает на еще один вид нелокальной симметрии флуктуаций в СВ, связанный с выделенным направлением гелиосферы (спиралью Паркера). Интересно, что эта симметрия проявляется только во взаимной ориентации флуктуаций скорости и магнитного поля, тогда как поля направлений b и v сами по себе имеют симметрию иного вида.

1. Dasso S., Milano L.J., Matthaeus W.H. Astrophys. J. V. 635. P. L181–L184. 2005.

2. Lyatsky W., Tan A., Lyatskaya S. Geophys. Res. Lett. V. 30. L2258. 2003.

3. Matthaeus W.H., Goldstein M.L., Roberts D.A. J. Geophys. Res. V. 95 P. 20, 673–20, 683.

1990.

4. ftp://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/spacecraft_data/omni/ «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ОБ УСКОРЕНИИ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

НИИ «Крымская астрофизическая обсерватория», Крым, Научный,

ON THE SOLAR ENERGETIC PARTICLE ACCELERATION

SRI «Crimean Astrophisical Observatory», Crimea, Naychnyi, The statistical analysis for 107 proton events observed in 1989–2005 with the Radio Solar Telescope Network and the WIND satellite was carried out. Relations between the proton flux intensities of solar energetic particles (SEPs) with parameters of continual bursts within the range 25–15400 MHz as well as with frequency drift velocities of the type-II radio bursts at meter (25–299 МГц) and decameter-hectometer (20 кГц–14 МГц) wavelengths are considered. Indications in favor of the two-step acceleration model of SEPs were obtained. Coronal shock waves accelerate protons more effectively than interplanetary ones and their contribution to the acceleration process increases with an increase of proton energy.

При проведении исследований использовались наблюдательные данные, доступные через Интернет. Независимая выборка включала 107 протонных событий за период с 1989 по 2005 г. Из них 87 сопровождались радиовсплесками II типа в метровом (m II) или декаметровом-гектометровом (DH II) диапазонах длин волн.

Скорость частотного дрейфа VII = f / t в m II- и DH II-диапазонах длин волн принималась равной отношению наблюдаемого частотного диапазона f к длительности всплеска t.

Интегральные спектральные интенсивности потока протонов солнечных космических лучей (СКЛ) Ip с энергиями Ep > 1-100 МэВ регистрировались на спутниках серии GOES. Значения Ip принимались равными максимальной величине в рассматриваемом спектральном интервале. Для получения реальных интенсивностей учитывалось гелиодолготное ослабление.

2. Интенсивность потока протонов и скорость частотного дрейфа Как следует из рис. 1, на котором показана зависимость между интенсивностью потока протонов с энергией Ep >15 МэВ и скоростью частотного дрейфа, знак tg, где – угол наклона регрессионной прямой, зависит от рассматриваемого диапазона длин волн. Если для m II-всплесков tg > 0, то для DH II-всплесков tg < 0. Это означает, что с увеличением скорости «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября дрейфа m II-всплесков в среднем поток протонов увеличивается, тогда как для DH II-всплесков, наоборот, уменьшается.

Рис. 1. Зависимость между интенсивностью потока протонов Ip с и скоростью На основе представлений о дрейфовом и диффузионном механизмах ускорения нетрудно показать, что темп набора энергии заряженными частицами на фронтах ударных волн dE p dt u, где u – скорость распространения волны и показатель степени = 1 2. Откуда следует, поскольку плазменная частота f е n, где n – концентрация электронов, то VII u (dE p dt )1. Поэтому рис. 1 свидетельствует, с одной стороны, об ускорении СКЛ на фронтах ударных волн в диапазоне высот R = (1.5-3)Rsun, а с другой, о значительном снижении эффективности ускорительного процесса в межпланетном пространстве.

Рис. 2. Зависимость коэффициента корреляции r(Ip,VII) между потоком протонов разных энергий и скоростью дрейфа Ep без учета (пунктирная линия) и с учетом (сплошная линия) гелиодолготного ослабления потока протонов.

На рис. 2 показана зависимость коэффициента корреляции r(Ip,VII) от Ep без учета и с учетом гелиодолготного ослабления по Очелкову [1]. Как видно, соответствующие кривые для m II- и DH II-всплесков ведут себя различным образом. В метровом диапазоне корреляция увеличивается с ростом энергии протонов, а в гектометровом, наоборот, уменьшается. Но в «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября том и в другом случае значения коэффициента корреляции оказываются довольно низкими и не превышают 0.40.

3. Модель двухступенчатого ускорения протонов СКЛ Слабая корреляция между интенсивностью потоков протонов и скоростью дрейфа m II- и DH II-всплесков II типа предполагает, что ускорение протонов ударными волнами не является определяющим. Для того, чтобы убедиться в правомерности этой гипотезы, мы исследовали связь потока протонов со следующими параметрами радиовсплесков в диапазоне 25МГц: максимальным значением потока излучения F, эффективной длительностью всплесков T, спектральным максимумом f и скоростью частотного дрейфа метровых всплесков VmII. Принимались во внимание только такие протонные события, которые сопровождались одновременно континуальными микроволновыми всплесками (), декаметровыми всплесками IV типа (d) и метровыми m II-всплесками. В результате, было отобрано событий за период с 2001 по 2006 г.

энергии протонов Ep. Функция Ipr строилась с учетом следующих параметров радиовсплесков: 1) Fµ, Tµ, fµ – тонкая сплошная линия; 2) Fµ, Tµ, fµ,. Fd, Td, fd – пунктирная линия; 3) Fµ, Tµ, fµ, Fd, Td, fd, VmII – На рис. 3 представлены зависимости значений коэффициента корреляции r(Ip, Ipr) от энергии протонов Ep Расчетные значения их интенсивности Ipr определялись по следующим формулам:

lgIp,r =k1·lgFµ+k2·lgTµ+k3·lgfµ+ k4·lg Fd+k5·lgTd+k6·lg fd +const, (2) lgIp,r=k1·lgFµ+k2·lgTµ+k3·lgfµ+k4·lgFd+k5·lgTd+k6·lgfd+k7·lgVmII+const, (3) где k1,k2, k3…. – коэффициенты линейной регрессии, значения которых находились методом наименьших квадратов. Уравнение (1) предполагает, что ускорение протонов происходит во вспышечной области. Хотя, как следует из рис. 3 коэффициент корреляции в этом случае достигает 0.78, такой подход едва ли можно считать удовлетворительным, поскольку он не учитывает параметры, характеризующие инжекцию частиц в окружающую корону. Между тем, как известно, радиовсплески IV типа служат индикаторами эруптивных процессов на Солнце и, соответственно, характеСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября ризуют выход ускоренных частиц из области вспышечного энерговыделения. Это учтено в уравнении (2), которое включает параметры декаметровых всплесков, что приводит, согласно рис. 3, к увеличению значений r(Ip, Ipr) по сравнению с предыдущим случаем. Если ускорение СКЛ происходит не только в области вспышечного энерговыделения, но и на фронтах ударных волн, то, принимая во внимание параметр VmII, значения r(Ip,VII) еще более возрастут, достигнув почти 0.85. Откуда следует вывод в пользу модели двухступенчатого ускорения заряженных частиц. Вместе с тем сравнительно небольшое увеличение коэффициента корреляции по сравнению с первым случаем, описываемом формулой (1), свидетельствует об определяющем вкладе в ускорение СКЛ источника вспышки. Причем, как видно из рис.4, с увеличением энергии протонов эффективность ускорения протонов в источнике вспышки даже несколько уменьшается, тогда для ударных волн, наоборот, возрастает.

1. Ускорение СКЛ в области вспышечного энерговыделения является определяющим.

2. Корональные ударные волны эффективнее межпланетных ускоряют 3. Ускорение СКЛ происходит поэтапно – вспышка + ударные волны.

1. Очелков Ю.П. Гелиодолготная зависимость интенсивности солнечных протонных событий // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т.26, № 6. С. 1007–1009.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НОВЫМИ МЕТОДАМИ

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН,

STUDY OF THE SOLAR WIND WITH NEW METHODS

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation, In a study of the last two solar activity cycles 22 and 23 we used new techniques developed in recent years. This is a new, unusual modification which increases a number of translucent sources near the Sun at small angular distances, and the method of correlation analysis of experimental data, which relates the types of solar wind streams from their sources in the solar corona. The experimental data allowed us to investigate more in detail heliolatitude jet structure of the solar wind, to examine a set of types of solar wind streams and their sources in the solar corona В последние годы в изучении солнечного ветра возникли новые возможности, которые позволяют изучать циклы солнечной активности по солнечному ветру, поскольку солнечный ветер является продолжением магнитных полей солнечной короны в межпланетное пространство. В изучении солнечного ветра была разработана новая модификация метода просвечивания, которая основана на одновременном и независимом использовании двух ранее известных модификаций метода [1–2].

В прежних исследованиях [3–4] такой подход не использовался. Метод просвечивания в новом подходе работает на радиальных расстояниях от Солнца R (2.5–70)Rs, включающих область формирования сверхзвукового солнечного ветра. Межпланетная плазма изучается здесь одновременно в режимах сильного и слабого рассеяния радиоволн [1–2]. В первом случае наблюдения проводятся на радиотелескопе ДКР-1000 РАО РАН, г. Пущино, длина волны ~ 3 м, где в качестве просвечивающих источников используются квазары и в режиме сильного рассеяния радиоволн изучается радиальная зависимость угла рассеяния 2(R). Во втором случае используется радиотелескоп РТ-22, длина волны = 1.35 см, а в качестве просвечивающих — мазерные источники линии водяного пара. В этих экспериментах в режиме слабого рассеяния изучается радиальная зависимость индекса мерцаний m(R). Независимое одновременное или в близкие сроки использование двух модификаций метода просвечивания позволило значительно расширить статистику источников, сближающихся с Солнцем на малых угловых расстояниях и на этой основе перейти к масштабным радиоастрономическим экспериментам по зондированию околосолнечной межпланетной «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября плазмы. Данные экспериментов позволяют локализовать в межпланетном пространстве положение границ переходной, трансзвуковой области солнечного ветра: внутренней границы, звуковой точки солнечного Rin, и внешней границы Rout и по этим данным построить радиокарты гелиоширотной структуры солнечного ветра.

Рис. 1. Радиокарты солнечного ветра — гелиоширотная структура трансзвуковой области солнечного ветра, 1987–2010 гг.

Радиокарты визуализуют струйную структуру солнечного ветра и на этой основе позволяют изучить солнечный цикл и его эпохи.

В другом подходе изучаются процессы перестройки магнитных полей в солнечной короне, R ~ 2.5Rs, формирующие неоднородную, струйную структуру течения солнечного ветра. Метод основан на изучении корреляционной зависимости положения звуковой точки солнечного ветра Rin(), – гелиоширота, от напряженности магнитного поля в солнечной короне, в точке, сопряженной с положением звуковой точки Rin: Rin = F(BR,) R = 2.5Rs. Корреляционная диаграмма зависимости Rin=F(BR )распадается на дискретные ветви – типы потоков солнечного ветра, которые отличаются на различных годовых этапах солнечного цикла. В дополнение к данным, приведенным в [3–4], нами были проведены теоретические расчеты магнитных полей в солнечной короне [5–6], которые позволили выделить в 23 солнечном цикле по ежегодным данным спектров типов потоков солнечного ветра потоки 11 типов, табл.1.

На основе новых методов эксперимента и анализа экспериментальных данных по структуре потоков солнечного ветра были изучены два последних цикла солнечной активности: 22 и 23. Установлено, что тип потока солнечного ветра определяется структурой магнитного поля в источнике, в солнечной короне, R = 2.5Rs. Показано, что продолжительность цикла солСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября нечной активности и положение границы фаз цикла на временной шкале определяется по структуре трансзвуковой области солнечного ветра и совпадает с оценками по общей интенсивности глобального магнитного поля солнечной короны IBr(t), но отличается от аналогичных оценок по числам Вольфа Rz.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября 1. Lotova N.A., Vladimirskii K.V., Obridko V.N. Diagnostics of Solar Wind Streams and Their Sources in the Solar Corona // Geomagnetizm and Aeronomy, 2010, V.50, N6, pp. 711–719.

2. Lotova N.A., Vladimirskii K.V., Obridko V.N. Solar Activity Cycle in Solar Wind Sources and Flows // Solar Phys., 2011, V.269, pp. 129–140.

3. Kodjima M., Asai K., Hakamada K., Ohmi Tomoaki. Tokumaru M., Yokobe A. Solar Wind Measured by Interplanetary Scintillation Method: in Solar Wind Nine, Proc. Of the Ninth International Solar Wind Conference. Ed. Habbal S.R., Esser R., Hollweg J.V., Isenberg P.A., ATP Conference Prog. 471, Woodbury, New York, 1998, pp. 29–34.

4. Schwenn R., Solar Wind Sources and Their Variations Over the Solar Cycle. Space Science Revieus, V.124, N1-4, pp. 51–76.

5. Obridko V.N., Yermakov F.A. Solar Cycle in Ikliomagnetic Indices. Astron. Tsirk., 1989, N1539, pp. 24–26.

6. Obridko V.N., Schelting B.D. Cycle variation of the global magnetic field indeces. Solar Phys., 1992, V.173, N1, pp. 167–177.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ВЛИЯНИЕ АКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ПЛОТНОСТЬ

АЛЬФА-ЧАСТИЦ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ

Минасянц Г.С., Минасянц Т.М., Вильковиский Э.Я.

Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова, Алматы, Казахстан

INFLUENCE OF ACTIVE PROCESSES ON DENSITY

THE ALPHA-PARTICLES IN A SOLAR WIND

Minasyants G.S., Minasyants T.M., Vilkoviskiy E.Y.

Fesenkov Astrophysical Institute, Almaty, Kazakhstan Properties of the alpha particle fluxes in the near-Earth plasma of a solar wind were investigated, using the WIND spacecraft data. Increase in the alpha particle density is determined by influences of flares, by coronal mass ejections and structural inhomogeneous of the solar wind. The cases, when the density of -particle was higher than of protons were marked. It occurs as a result of the high-energy particles influence. The mechanism of nonuniform enrichment by helium nucleuses of separate sectors of a solar wind was suggested.

Одной из задач представленной работы было установить источники, способствующие повышению плотности -частиц в плазме солнечного ветра (СВ). Были использованы данные измерений в течение 1996–2009 гг.

на спутнике WIND плотности протонов (NР) и -частиц (N),с разрешением по времени 24 сек.

Удалось установить, что источниками увеличения плотности -частиц в СВ являются:

1) вспышечные процессы, приводящие к усилению потоков -частиц;

2) развитие корональных выбросов массы (КВМ);

3) влияние структурных неоднородностей солнечного ветра (СНСВ).

Примечательным оказался вид усиления N для вспышечных потоков высокоэнергичных частиц (рис. 1). Он представляет собой набор тонкоструктурных колебаний значений с амплитудой N = (0.03–10) см–3. Внешне это напоминает гребенку с частыми зубьями. Следовательно, СВ в этих случаях представляет собой тонкоструктурные объемы плазмы с чередующимися значениями N.

Общий вид распределения N в теле КВМ существенным образом отличается от распределения вспышечного типа (рис. 2). Характерной особенностью его, является тесная корреляция изменений NР и N. В теле выбросов присутствуют несколько заметных подъемов N, которые имеют вид непродолжительных скачков значений. Здесь проявляется неоднородность самой плазменной структуры КВМ.

Распределение N, в СНСВ имеет вид, включающий сочетание вспышечного типа и КВМ (рис. 3). Имеются случаи бльшего подобия с тем или иным типом. Заметно понижение степени корреляции N и NР в СНСВ, «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября по сравнению с КВМ. Необходимо учитывать, что усиления N в СНСВ относятся, в основном, к периоду низкой солнечной активности.

Рис. 1. Сопоставление плотности протонов Рис. 2. Ход изменения NР и N в КВМ и -частиц для вспышек 28–30.Х. 2003 г. 31 марта–1 апреля 2001 г. – Shock.

По значениям N и NР были рассчитаны величины относительного содержания -частиц. Высокие значения относительного содержания N/NР типичны для вспышечного типа усиления -частиц (см. рис. 4, вспышка 2–3.XI.2003). В области этого вспышечного потока N/NР средн. = 0.4759 ± 0.0352, значение выведено по 750 точкам. Обнаружены случаи, когда в тонкой структуре вспышечных потоков наблюдалось такое повышение N, что в отдельных местах оно превосходило протонное.

Вариации N/NР во вспышечных потоках содержат скачки с характерным периодом Р ~ (250–400) сек. Возможным объяснением этого может быть механизм ускорения многозарядных ионов в плазме с электрическим током, предложенный А.В. Гуревичем (1961, JETPh, 40, 1835). Согласно этому механизму, малая примесь многозарядного иона (дважды ионизованного гелия в данном случае) к водородной плазме в электрическом поле ускоряется в направлении движения потока электронов при некотором критическом значении электрического поля. Эпизоды ускорения ядер гелия, разделённые промежутками "разрыва токового слоя", могут создавать условия для периодического увеличения отношения обилий ядер гелия и протонов в плазме солнечного ветра при сильных солнечных вспышках.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ОБЛАСТИ НА СОЛНЦЕ, ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА БЫСТРЫЕ

ПОТОКИ ПЕРМАНЕНТНОГО СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Троицк Московской обл., 142190, Russia;

REGIONS ON THE SUN RESPONSIBLE FOR THE HIGH VELOCITY

FLOWS OF THE PERMANENT SOLAR WIND

N. V. Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and radio wave propagation of Russian Accad. Of Sciences, Troitsk of Moscow region, 142190, Russia;

As Ulysses’ solar wind speed measurements evidence two varieties of high velocity out flows exist in the heliosphere. They are the fluxes with speed of 700–800 km/s situating in the high latitude heliosphere of the low activity period and the streams of the high activity epoch with 500–800 km/s velocity, connected with coronal holes. A coupling of both types of the solar wind with 700–800 km/s is analyzed to understanding the role of the solar magnetic fields in the solar wind speed formation.

Высокоскоростные потоки перманентного солнечного ветра (СВ) всегда были загадкой для исследователей Солнца и гелиосферы. В 1977 г. области выхода быстрых потоков (V > 500 км/с) солнечного ветра были отождествлены с темными промежутками между яркими структурами рентгеновской короны на диске активного Солнца [1], названными корональными дырами (КД), и классифицированы как проявления солнечной активности. До начала 90-х годов прошлого века КД считались единственными источниками стационарного высокоскоростного СВ.

В данной работе вопрос об источниках высокоскоростных потоков СВ рассматривается на основе измерений скоростей экстраэклиптического СВ в рамках проекта Ulysses /SWOOPS и скоростей низкоширотных потоков с помощью протонного монитора (РМ) – на SOHO. Кроме того, по мере надобности привлекались XUV – фильтрограммы диска Солнца EIT/SOHO и Yohkoh, и маг-нитограммы MDI/Kitt Peak и SOHO из интернет- архива. В течение 17-летней миссии на гелиоцентрической квази-полярной орбите Ulysses совершил почти 3 полных оборота вокруг Солнца - два в минимуме и один в максимуме активности, три раза пролетел над каждым гелиографическим полюсом и три раза пересек плоскость гелиоэкватора в перигелии орбиты. Обобщенные данные изменения скоростей потоков СВ в зависимости от гелиошироты, гелиоцентрических расстояний и солнечной активности за этот период представлены на Рис. 1.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Рис. 1. Скорости СВ в зависимости от гелиошироты V() по наблюдениям Ulysses/SWOOPS (янв.1992 – июнь 2009 гг.) обобщены в виде трех диаграмм в полярных координатах – для трех оборотов Ulysses вокруг Солнца: («а» и «с») в минимумах активности 22 и 23 циклов и («b») – в максимуме 23 цикла. Графики скорости наложены на изображения диска Солнца в свете 195A FeXII (SOHO/EIT) и корональных стримеров (SOHO/LASCO-2). Горизонтальная ось – солнечный экватор. N и S – полюса Солнца, А и Р – афелий и перигелий орбиты. Числа на осях графиков 500 и 1000 км/с задают шкалы скоростей СВ. Движение Ulysses – против часовой стрелки. Панель «d» – солнечная активность в сглаженных числах солнечных пятен.

На Рис. 1 четко прослеживается связь скоростей СВ VСВ() с фазами цикла активности. В обоих минимумах (панели «а» и «с») в гелиосфре вне пояса стримеров были обнаружены только высокоскоростные потоки СВ со скоростями 750±50 км/с, тогда как внутри пояса стримеров доминировал медленный СВ. В период высокой активности Солнца (панель «b») на всех гелиоширотах струи быстрого СВ со скоростями 500–800 км/с чередуются с медленными потоками (300–500 км/с) в отношении ~ 1:1. Таким образом, существуют как бы две разновидности высокоскоростного СВ, связанные с фазами циклов солнечной активности: высокоширотные потоки эпохи минимума со стабильными скоростями 700–800 км, связанные с фоновыми МП, и пространственно ограниченные высокоскоростные потоки активного Солнца с V = 500–800 км/с, приходящие из из корональных дыр. Далее рассматриваются отдельно особенности фоновых МП и КД как источников быстрого СВ.

Фоновые магнитные поля (ФМП) – это характерные для фотосферы спокойного Солнца поля смешанных полярностей, между поясом стрмеров и полярными КД без каких-либо признаков активности. Согласно современным наблюдениям МП спокойного Солнца с высоким пространственным разрешением, образование ФМП связано с всплытием из-под поверхСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября ности фотосферы эфемерных АО (ЭАО) с магнитными потоками (2.6– 407)1018 Мх [2] и их последующим участием в супергрануляционной циркуляции. Результатом таких процессов являются ансамбли магнитных арок от хромосферных до корональных масштабов с магнитными потоками ~1018–1020 Мх. Моделирование процесса образования в формате 3D структур фоновых магнитных полей [3] показало, что ФМП – это ансамбли арочных (замкнутых) структур, охватывающие несколько супергранул, с высотой арок h 0.2RSun над поверхностью фотосферы и значительным дефицитом высоких (корональных) петель. Ансамбли корональные арок ФМП распределяются по поверхности Солнца достаточно равномерно, но с большой скважностью, что позволяет быстрым потокам плазмы пройти через ФМП практически без потери скорости. В то же время магнитные арки корональных масштабов способны при контакте с потоками захватить плазму и создать фоновую корону, которую мы видим на фильтрограммах EUV – EIT/SOHO.

Корональные дыры – «источники» высокоскоростных потоков СВ со скоростями 700–800 км/с в эпохи активного Солнца В отличие от стабильных скоростей фонового СВ скорости высокоскоростных потоков из корональных дыр варьируют в пределах 500– км/с, что, несомненно, обусловлено природой КД. Магнитные поля КД формируются из магнитных полей активных областей их окружающих [1].

Открытые магнитные корфигурации возникают на стыке периферийных частей магнитных полей одного знака одной или нескольких близких АО обращенных друг к другу одноименными полярностями [4]. Как правило потоки СВ со скоростями 700–800 км/с из КД кратковременны, ~1-2 суток, хотя наблюдаются потоки большей продолжительности. С точки зрения понимания природы быстрого СВ интересен вопрос: какими особенностями обладают КД – источники потоков СВ со скоростями 700-800 км/с?

Рассмотрим сначала низкоширотные КД на основе данных протонного монитора на SOHO.

На Рис. 2 4 КД-ры в пределах кэррингтоновского оборота Солнца №1959 являются источниками быстрого СВ. Из них две, соответствующие пикам скорости СВ ~800 км/с, локализующиеся вблизи границ оборота, представляют одну и ту же рекуррентную корональную дыру. КД на двух других изображениях – эфемерные и ассоциируются со скоростями потоков < 700 км/с. Эта типичная для максимума активности рекуррентная низкоширотная КД прослеживается в 13 кэррингтоновских оборотах Солнца.

Ее прохождение по диску Солнца во всех случаях сопровождалось приходом на орбиту Земли высокоскоростных потоков со скоростью 700–800 к/с.

4 из них представлены на Рис. 3.

Напрашивается вывод: в эпохи высокой активности Солнца источниками быстрых потоков СВ со скоростями 700–800 км/с являются рекурСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября рентные КД. Далее сопоставляем квази-27-дневные вариации скоростей потоков СВ, связанные с вращением Солнца, с одноименными вариациями индекса активности F10.7 см, описывающего распределение АО Солнца по гелиографическим долготам – Рис.4.

Рис. 2. Нижняя панель – мониторинг скорости низкоширотного СВ в максимуме активности за 1.5 кэррингтоновского оборота (SOHO/PM). Границы CR1959 отмечены вертикальными линиями. Сверху – фильтрограммы Yohkoh c КД, соответствущими отмеченным пикам скорости СВ.

Рис. 3. Внизу – мониторинг скоростей СВ SOHO/PM из той же серии, но за 4CR: 1957– 1960, включающий предыдущий фрагмент – два пика скорости 800 км/с справа; сверху – изображения КД, ответственных за пики скорости под ними в FeXV SOHO/EIT.

Оказалось, что скорости СВ VСВ(t) (сверху) и индекс активности Солнца F10.7 cm(t) (внизу), варьируют в противофазе: пики скоростей потоков соответствуют минимальным значениям индекса F10.7cm и наоборот.

Этот эффект прослеживается на бльших временных интервалах в максимальной и постмаксимальной фазах активности (Рис. 5а, 5b), подтверждая вывод о том, что источники быстрых потоков СВ эпох высокой активности со скоростями 700–800 км/с локализуются в рекуррентных корональных дырах.

На Рис. 1. (панель «b») отчетливо видно, что в эпоху высокой активности Сол-нца быстрый СВ на всех гелиоширотах существует в виде изоСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября лированных высокоскоростных потоков, пики скорости которых отождествляются с корональными дырами. На Рис. 6 приведен Фрагмент мониторинга Ulysses/SWOOPS скорости и плотности высокоширотного СВ.

Рис. 4. Графики вариаций скоростей СВ VСВ(t) по данным SOHO/PM (сверху) и индекса активности Солнца F10.7 cm(t) (внизу) совмещены с учетом транспортного времени для потоков.

Рис. 5. На графиках вариаций индекса солнечной активности F10.7 см крестиками отмечены даты пиковых значений скоростей эклиптического СВ 700–800 км/с по РМ/SOHO в максимуме и на ветви спада 23 цикла, идеально совпадающие с минимумами потока.

Рис. 6. Скорости (шкала слева) и плотности (шкала справа) высокоширотного СВ во время восхождения Ulysses к северному полюсу Солнца со стороны перигелия, прохождения над полярной зоной на гелиоширотах 70°–80°–70°N и спуска до ~ 35°N со стороны афелия в максимальной и пост-максимальной фазах 23-го цикла активности. Наверху – шкала времени, внизу – шкала гелиоширот. Фильтограммы FeXY SOHO/EIT.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Вариации скоростей СВ большой амплитуды (400–750 км/с) на Рис. связаны с пролетом Ulysses над низкоширотным «хвостом» рекуррентной корональной дыры активного Солнца, образовавшейся между стримерами над северным гелиографическим полюсом, наблюдавшейся более года на фоне очень яркой короны.

Поскольку индекс F10.7cm описывает распределение по гелиодолготе магнитных полей АО, с неизбежностью следует вывод о том, что в периоды высокой активности источники высокоскоростных потоков СВ со скоростями 700–800 км/с локализуются в частях рекуррентных КД, где магнитная ситуация близка к фоновой, т.е. влияние магнитных полей АО либо отсутствует, либо крайне слабо.

1). Высокоскоростные потоки СВ со скоростями 700–800 км/с, заполняющие высокоширотную гелиосферу спокойного Солнца, ассоциируются с областями, свободными от замкнутых магнитных полей АО и стримеров.

2). Вариации скоростей СВ из КД 500–800 км/с, связаны, несомненно, с многообразием магнитных конфигураций АО, формирующих открытые МП КД.

3). Наблюдаемая скорость перманентного СВ зависит от условий выхода потоков в гелиосферу, которые полностью определяются локальными магнитными полями активных областей и пояса стримеров ниже поверхности источника. Скорости СВ устанавливаются в результате торможения потоков в замкнутых МП Солнца.

Работа поддержана грантом РФФИ № 11-02-00259.

1. Zirker J. В моногр “Coronal Holes and High Speed Wind Streams”, J. Zirker, ed. 1–26.

2. Hagenaar H.J. ApJ. 555, 448–461, 2001.

3. McComas D.J.et al., GRL.V.35. No.10. P.1029. 4. Close R.M., C.E. Parnell, D.H. Mackay, E.R. Priest. Solar Phys., 212, 251–275, 5. Никольская К.И. В трудах Всероссийской Конф. «Солнце и Солнечно-земная физика – 2008», С.-Петербург. 265–268. 2008.

6. Могилевский М.А., Никольская К.И. Геомагнетизм и Аэрономия. Т.50, №2, 156–166.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ГЕОМАГНИТНЫЕ ПОРОГИ ОБРЕЗАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ

ЛУЧЕЙ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ЭМПИРИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

В ПЕРИОД СИЛЬНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ В НОЯБРЕ 2003 г.:

СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ

Санкт-Петербургский филиал ИЗМИРАН, Санкт-Петербург, Россия Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия

COSMIC RAY CUTOFF RIGIDITIES IN MAGNETIC FIELD OF

EMPIRICAL MODELS DURING STRONG DISTURBANCES ON

NOVEMBER 2003: A COMPARISON OF MAGNETOSPHERIC

MODELS

Sankt-Petersburg Filial of IZMIRAN, Sank-Petersburgг, Russia 2Institute of Solar-Terrestrial Physics SO RAN, Irkutsk, Russia One of the important factors in space weather are the cosmic ray (CR) fluxes which penetrate into the magnetosphere and atmosphere of the Earth from interplanetary space. The geomagnetic field allows or forbids cosmic ray particle arriving at a given point in the magnetosphere depending on charged particle energy and thus geomagnetic cutoff rigidities regulate CR fluxes distribution in the magnetosphere. Accuracy in determining geomagnetic cutoff rigidities is closely related with a magnetospheric model used in calculations. Using the method of charged particle trajectory tracing in a magnetosphere magnetic field, we have calculated geomagnetic cutoff rigidities during the strong magnetic storm in November 2003.

We used in our studies magnetic fields of two empirical models Ts01 and Ts04 which describe a strongly disturbed magnetosphere.

The model Ts01 describes mainly the middle magnetosphere under certain conditions in a solar wind and an interplanetary magnetic field. The main attention is given to the description of large-scale evolution of magnetospheric currents during a storm in the model Ts04.

Theoretical geomagnetic cutoff rigidities obtained have compared to the experimental thresholds calculated by the spectrographic global survey method based on the neutron monitor world net data of November 2003 г.

Существенным фактором, определяющим космическую погоду являются космические лучи, которые проходят через магнитосферу и испытывают воздействие ее магнитных полей, вследствие чего наблюдаются изменения в жесткостях геомагнитного обрезания космических лучей (геомагнитных порогах) во время возмущений в солнечном ветре и магнитосфере. Это приводит к перераспределению потоков заряженных частиц в магнитосфере. Обычно геомагнитные пороги определяют теоретически методом прослеживания траекторий заряженных частиц в магнитном поле магнитосферы, описываемом какой-либо выбранной моделью [1]. ТочСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября ность определения теоретических геомагнитных порогов определяется точностью представления магнитосферного магнитного поля моделью [2].

Таким образом, магнитосферные вариации космических лучей дают возможность анализировать структуру магнитосферного поля, что можно использовать в качестве независимого источника информации для дополнительной проверки магнитосферных моделей [3]. В последнее десятилетие кроме чисто теоретических моделей магнитосферного магнитного поля появились эмпирические модели, построенные по данным измерений на спутниках. Привлекательность этих моделей состоит в том, что с одной стороны они базируются на экспериментальных данных, с другой – на современных представлениях об основных внешних источниках магнитного поля магнитосферы. В данной работе для определения теоретических геомагнитных порогов были использованы две эмпирических модели TS01 и TS04 [4–8], построенные по одной и той же базе спутниковых измерений магнитного поля.

Целью данной работы является сравнение теоретических геомагнитных порогов, рассчитанных в магнитных полях моделей Ts01 и TS04 в период бури 18–21 ноября 2003 г., с экспериментальными геомагнитными порогами, полученными методом спектрографической глобальной съемки по данным регистрации космических лучей на мировой сети нейтронных мониторов для того же периода времени.

Геомагнитные пороги космических лучей в возмущенный период 18ноября 2003 г. определялись двумя независимыми методами. Теоретические пороги были получены интегрированием траекторий заряженных частиц в магнитном поле моделей TS01 и Ts04 [4–8]. Экспериментальные геомагнитные пороги рассчитывались методом спектрографической глобальной съемки по данным мировой сети станций космических лучей [9].

На рис. 1 приведены изменения теоретических геомагнитных порогов RэфTs01 и RэфTs04, рассчитанных для моделей TS01 и Ts04, а также экспериментальные пороги Rсгс. Изменения порогов получены относительно спокойного уровня 12 октября 2003 г. для каждого часа бури. Спокойные геомагнитные пороги приведенных на рис. станций охватывают основную область пороговых жесткостей, подверженных влиянию магнитного поля.

В нижней части рис. приведены геомагнитные индексы Кр и Dst и параметры солнечного ветра плотность N и скорость V. Магнитосферные модели Ts01 и Ts04 построены по данным измерений магнитного поля на спутниках в период 37 геомагнитных возмущений с Dst – 65 нТ. Разница в моделях состоит в разной аппроксимации одних и тех же экспериментальных данных. В модели Ts01 авторы уделили внимание пространственСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября ной структуре магнитного поля магнитосферы с целью описания средней магнитосферы для определенных условий в солнечном ветре и межпланетном поле. В модели Ts04 авторы сосредоточились на представлении крупномасштабной эволюции токов магнитосферы в периоды бурь, оставив в стороне более короткоживущие явления, в том числе суббури.

Рис. Жесткости обрезания космических лучей в период бури в ноябре 2003 г.

(RэфTs01 – кружки, RэфTs04 – треугольники, Rсгс – крестики, а – Токио, б – Алма-Ата, в – Рим, г – Иркутск, д – Москва, е – Хобарт) «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Из рис. видно, что наблюдается существенная разница (до~0,6 ГВ) между значениями RэфTs01 и RэфTs04, особенно заметная в период Dstвариации. Встает вопрос какая из моделей описывает магнитное поле магнитосферы более реалистично. В таблице показаны коэффициенты корреляции изменений RэфTs01 и RэфTs04 между собой (К01-04) и их корреляции с экспериментальными порогами Rсгс (К01-Ксгс.) и (К04-Ксгс).

Из таблицы видно, что корреляция между моделями довольно высока, что вполне объяснимо. Корреляция Rсгс с RэфTs01 систематически заметно выше, чем с RэфTs04 для всех станций, на основании чего можно сделать вывод, что модель Ts01, описывающая среднюю магнитосферу для определенных возмущенных условий в солнечном ветре, более реалистична.

Сравнение изменений геомагнитных порогов, рассчитанных в магнитных полях двух магнитосферных моделей Ts01 и Ts04, отличающихся разной аппроксимацией одних и тех же экспериментальных данных измерений магнитного поля, показало, что модель Ts01, описывающая среднюю возмущенную магнитосферу ближе к реальности, чем модель Ts04, которая описывает временную эволюцию крупномасштабных токовых систем в период магнитной бури в ноябре 2003 г.

1. Dorman L.I., R.G. Gushchina, D.F. Smart, and M.A. Shea, Effective Cut-Off Rigidities of Cosmic Rays. Nauka, Moscow, 1972 (in Russian and in English).

2. Smart, D.F, Shea, M.A., Fluckiger, E. Space Sci. Reviews, 93, 271–298, 2000.

3. Тясто М.И. и др. Геомаг. и аэрон. Т.44, № 3, с.270, 2004.

4. Tsyganenko N.A. J. Geophys. Res., 107, No. A8, 1179, doi:10.1029/2001JA (2002a).

5. Tsyganenko N.A. J. Geophys. Res., 107, No. A8, 1176, doi:10.1029/2001JA (2002b).

6. Tsyganenko N.A., H.J. Singer, and J.C. Kasper. J. Geophys. Res., 108, No. A5, 1209, doi:10.1029/2002JA009808 (2003).

7. http://geo.phys.spbu.ru/~tsyganenko/modeling.html 8. Tsyganenko N.A., M.I. Sitnov J. Geophys. Res., 110, A03208, doi:10.1029/2004JA010798, 2005.

9. Dvornikov V.M and V.E. Sdobnov. Intern. J. Geomagn. and Aeron., 3, No. 1, P.1, (2002).

КОСМИЧЕСКИЙ КЛИМАТ

КЛИМАТ ЗЕМЛИ

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

О КОМИССИИ ПО ФИЗИЧЕСКИМ ПРОБЛЕМАМ

СОВРЕМЕННОГО ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

ВНЦ “Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова” Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория, Санкт-Петербург, Россия

ON THE COMISSION FOR PHYSICAL PROBLEMS OF

CONTEMPORARY CLIMATE CHANGE

All-Russian SC “S.I. Vavilov State Optical Institute”, St.-Petersburg, Russia Central Astronomical Observatory at Pulkovo of RAS, St.-Petersburg, Russia In this paper we inform on a work of the Commission for Physical Problems of Contemporary Climate Change, established at the St.-Petersburg Scientific Center of RAS.

По инициативе ВНЦ ГОИ в конце 2010 года создана Комиссия по физическим проблемам современного изменения климата при Научном совете «Экология и природные ресурсы» Санкт-Петербургского научного центра РАН. В состав инициативной группы вошли также представители руководства ГАО РАН, ФТИ РАН, СПБ филиала ИЗМИРАН и специалисты СПбГУ. Сейчас в состав Комиссии входят около 30 ученых, в том числе из организаций Росгидромета (РГГМУ, ГГО им. А.И. Воейкова, ААНИИ и ГГИ), Российской Академии наук (ГАО, ЗИН, ИНОЗ, ИНЭНКО, НИЦЭБ, СПбФ ИЗМИРАН, СПбЭМИ и ФТИ), Минобрнауки (ВНЦ ГОИ, ГПА, СПбГУ, СПбГТУ «ЛЭТИ»), ВКА им. А.Ф. Можайского и Международного фонда «Нансен-центр».

Её создание связано с большим научным и общественным интересом к проблеме глобальных климатических изменений и существенным заделом в области солнечно-климатических исследований, имеющимся в ряде институтов города. Работа Комиссии за истекший период показала высокий научный уровень проводимых в Санкт-Петербурге работ и необходимость их развития. Расширение таких работ именно в Санкт-Петербурге признано необходимым и в Совете Безопасности при Президенте Российской Федерации на заседании 17 марта 2010 года, при этом предложено создать в Санкт-Петербурге межведомственный Центр климатических исследований.

Целью создания Комиссии является улучшение координации и расширение работ по учету космофизических и иных природных факторов в глобальных климатических и погодных проявлениях, включая потепление приземного воздуха в последние десятилетия. Основная задача на начальном этапе – включение указанных исследований в российские и междунаСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября родные программы изучения погодно-климатических изменений и, главным образом, – в Национальную программу РФ по климату.

В цели работы Комиссии входит:

– развитие междисциплинарного подхода к климатическим исследованиям, учет триггерных, резонансных механизмов и нелинейного характера воздействий космофизических и иных природных факторов;

– определение приоритетных направлений и результатов, полученных в Санкт-Петербургских научных учреждениях в последние годы;

– предложения в планы работ институтов новых исследований в области солнечно-климатических связей;

– предложения по учету космофизических и иных природных факторов в Национальную программу по климату, в отечественные и международные программы.

Задачами работы Комиссии являются:

– рассмотрение результатов профильных научных исследований, выполняемых в Санкт-Петербурге;

– разработка скоординированных предложений по планам исследовательских работ;

– разработка, обсуждение и представление плана работ в Национальную программу по климату, в отечественные и международные программы;

– подготовка и представление результатов исследований по космофизическим проявлениям погодно-климатических изменений в отечественные и международные организации, участие в обсуждении решений по межправительственным и международным соглашениям в области климата;

– проведение регулярных обсуждений на заседаниях-семинарах результатов по различным направлениям исследований причин и проявлений климатических изменений;

– содействие публикации результатов исследований в национальных, международных изданиях и сборниках трудов Комиссии;

– представление материалов работы Комиссии, в том числе докладов на заседаниях-семинарах, на «странице Комиссии» сайта Научного совета “Экология и природные ресурсы” Санкт-Петербургского научного центра РАН http://www.spbrc.nw.ru/?p=210.

Комиссия в своей работе исходит из того, что существует необходимость в ближайшее время осуществить ревизию Международной рамочной конвенции по проблемам изменения климата и, проведя ревизию, отказаться от ряда – по мнению многих исследователей – необоснованных, нереальных и опасных для социально-экономического развития рекомендаций, содержащихся в Киотском протоколе и его продолжениях [1]. Основой для оценок возможных изменений климата в предлагаемых работах являются предложения по более полному учету естественных (включая гелиогеофизические) факторов влияния на климат, а также принятие во вниСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября мание иных, чем антропогенные парниковые газы, источников вклада техносферы в климатические изменения.

В результате работы Комиссии в 2011 году были заслушаны и обсуждены доклады:

"О создании единой математической модели верхней атмосферы, климата и глобальной электрической цепи". (А.А. Намгаладзе, Мурманский ГТУ);

"Солнечная активность – космическая погода – космический климат – климат Земли". (Ю.А. Наговицын, ГАО РАН);

"Современное потепление в контексте палеоданных о глобальной температуре Земли за последние 1000 лет". (М.Г. Огурцов, ФТИ им. А.Ф. Иоффе);

"Пространственно-временные вариации долгопериодных эффектов солнечной активности и галактических космических лучей в циркуляции нижней атмосферы". (С.В. Веретененко, М.Г. Огурцов, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН);

"Солнечно-земные связи, погода и современное изменение климата".

(С.В. Авакян, ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова");

"Естественные причины изменения климата". (Л.Н. Карлин, М.А. Гусакова, РГГМУ);

"Сравнение энергетики антропогенных и природных источников современного глобального потепления” (С.В. Авакян, ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова");

"Климатология аэрозолей и облачности". (Л.С. Ивлев, СПбГУ).

По итогам этих заседаний разработан и представлен Сводный пакет из четырех проектов-предложений в Национальную программу по климату:

1. Влияние солнечных вспышек и геомагнитных бурь на погодноклиматические изменения с учетом воздействия микроволнового излучения ионосферы Земли на зарождение облачности (ВНЦ ГОИ, СПбГУ);

2. Комплексные междисциплинарные исследования по физическим проблемам современного изменения климата (ФТИ РАН, ГАО РАН, СПбФ ИЗМИРАН, ИНЭНКО РАН, ААНИИ);

3. Исследование естественных причин изменения климата Земли (РГГМУ, СПбГУ);

4. Исследование полей облачности, влажности, осадков, их взаимосвязей с другими метеорологическими и геофизическими полями, роли в формировании погоды и климата планеты, в том числе в формировании антропогенных источников изменения климата (ГПА).

К настоящему времени наши предложения продолжают рассматриваться в Росгидромете. В то же время, недавно в Правительстве РФ заявлено о намерении отказаться в продлении статуса Российской Федерации как подписанта Киотского Протокола со времени окончания в 2012 году срока его действия в нынешнем виде. Складывается парадоксальная ситуация.

Практически до последнего времени официальные органы были приверСолнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября женцами навязываемого МГЭИК взгляда о подавляющем вкладе антропогенных газов (СО2, NH4, N2O и др.) в парниковый эффект. С этим механизмом связывалось наблюдаемое в последние десятилетия глобальное потепление приземного воздуха, хотя сколько-нибудь строгая научная основа в таких воззрениях отсутствует. В частности, в [1] показывается, что в подобных сценариях нет учета определяющего вклада в парниковый эффект паров воды (прежде всего, антропогенного происхождения), а также аэрозольной компоненты. Основной вывод, который следует из рассмотрения обзоров МГЭИК, косвенно обосновывающих необходимость всего процесса, связанного с реализацией Протокола Киото, заключается в том, что они не могут быть основой для принятия решений ввиду исключительной сложности понимания закономерностей современной динамики климатической системы и, тем более, – оценок возможных изменений климата в будущем, а также сохраняющегося до сих пор отсутствия достоверных оценок вклада как антропогенных, так и природных факторов в формирование современного климата. Парадоксальность ситуации характеризуется также тем, что гигантская избыточность трудно систематизируемых спутниковых данных сочетается с деградацией регистрационных возможностей традиционной сети наземных метеорологических постов, число которых падает и которые находятся в настоящее время под всё усиливающимся урбанистическим давлением.

Все это ставит нашу страну сегодня в невыгодную ситуацию. Перейдя на декларацию фактически противоположных воззрениям Киотского Протокола позиций без достаточно доказательной научной базы, Россия политически проиграет, т.к. абсолютное большинство стран, особенно третьего мира, остаются в убеждении (хотя и при отсутствии научного обоснования), что все современные климатические беды на Земле связаны с антропогенной нагрузкой промышленности, транспорта и углеводородной энергетики развитых государств. Поэтому инициативная разработка Комиссией пакета предложений по исследованиям, направленным фактически на обоснование необходимости построения сценариев и прогностических моделей современного и будущего изменения климата, учитывающих в том числе и вековые изменения активности Солнца и космической погоды, – заслуживает внимательного отношения. Ведь рассмотрение, в рамках наиболее полных физико-математических моделей изменения климата, показывает, что «международные эксперты переоценивают чувствительность климатической системы к антропогенному воздействию» [2].

1. К.С. Демирчян, К.Я. Кондратьев, К.К. Демирчян. Глобальное потепление и «политика его предотвращения, Биосфера. Междисциплинарный научный и прикладной журнал. Т.2. №4. С.488–50. 2010.

2. И.И. Мохов. Выступление при обсуждении научного сообщения. Вестник РАН. Т.80, №8. С. 690. 2010.

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ДВУХВЕКОВОЕ СНИЖЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ПОСТОЯННОЙ

ПРИВОДИТ К НЕСБАЛАНСИРОВАННОМУ ТЕПЛОВОМУ

БЮДЖЕТУ ЗЕМЛИ И МАЛОМУ ЛЕДНИКОВОМУ ПЕРИОДУ

ГАО РАН, Санкт-Петербург, Россия, [email protected]

BICENTENNIAL DECREASE OF THE TOTAL SOLAR IRRADIANCE

LEADS TO UNBALANCED THERMAL BUDGET OF THE EARTH

AND THE LITTLE ICE AGE

Pulkovo observatory of RAS, St. Petersburg, Russia, [email protected] Temporal changes in the power of the longwave radiation of the system Earthatmosphere emitted to space always lag behind changes in the power of absorbed solar radiation due to slow change of its enthalpy. Long-term changes in the energy of solar radiation received by the Earth during a time interval determined by thermal inertia remain uncompensated by the energy emission to space. That is why the debit and credit parts of the average annual energy budget of the terrestrial globe with its air and water envelope are practically always in an unbalanced state which is a basic state of climatic system. Average annual balance of the thermal budget of the system Earth-atmosphere during long time period will reliably determine the course and value of both an energy excess accumulated by the Earth or the energy deficit in the thermal budget which, with account for data of the TSI forecast, can define and predict well in advance the direction and amplitude of the forthcoming climate changes with high accuracy. From early 90s we observe decrease in both the TSI and the portion of its energy absorbed by the Earth. Since the Sun is now approaching the phase of decrease of bicentennial luminosity, the Earth as a planet will henceforward have negative balance in the energy budget which will result in the temperature drop in approximately 2014.

Due to increase of albedo and decrease of the greenhouse gases atmospheric concentration the absorbed portion of solar energy and the influence of the greenhouse effect will additionally decline. The influence of the consecutive chain of feedback effects which can lead to additional drop of temperature will surpass the influence of the TSI decrease.

Физическая природа глубоких изменений климата в течение последних 7500 лет была непосредственно связана с соответствующими двухвековыми изменениями солнечной постоянной [1–3]. Однако прямое влияние относительно малой двухвековой вариации солнечной постоянной [4] недостаточно, чтобы объяснить соответствующие циклические изменения температуры на Земле – от глобальных потеплений до Малых ледниковых периодов. Требуется своего рода дополнительный усилитель прямого влияния вариации солнечной постоянной на наблюдаемые глобальные изменения климата. Таким усилителем прямого воздействия изменения солнечной постоянной на вариацию климата является его вторичные дополнительные влияния в виде последующих эффектов, обусловленные обратной связью: естественные изменения глобального альбедо Земли – альбедо «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Бонда и концентрации парниковых газов (прежде всего водяного пара, а также углекислого газа, метана и др.) в атмосфере. Альбедо Бонда является особо важным физическим параметром в энергетическом бюджете Земли как планеты. Его долговременное значимое изменение может стать потенциально мощным двигателем вариации климата. Вариации характеристик поверхности Земли и её атмосферы, обусловленные двухвековой вариацией солнечной постоянной, порождают последовательную цепочку дальнейшего дополнительного изменения температуры, вызванного многократными повторениями такого причинно-следственного цикла вторичных эффектов обратной связи, даже если солнечная постоянная впоследствии останется без изменений в течение определенного периода времени. В результате воздействия последовательной цепочки таких изменений, обусловленных вторичными эффектами обратной связи, глобальные климатические изменения дополнительно могут усиливаться на величину, превосходящую влияние двухвековой вариации солнечной постоянной. Аналогичная картина наблюдалась в конце ХХ века.

Любое долговременное изменение поглощаемой Землей энергии солнечного излучения вследствие ее двухвековой вариации в течение периода времени, определяемого термической инерцией, остается некомпенсированным излучаемой в космос энергией собственного теплового излучения системы Земля – атмосфера. Поэтому среднегодовой энергетический баланс Земли как планеты практически всегда находится в неравновесном состоянии, поглощая и излучая неодинаковое количество энергии вследствие двухвековой вариации солнечной постоянной. В результате длительного поглощения и накопления Мировым океаном повышенной энергии Солнца планета постепенно будет нагреваться, а при ее дефиците – остывать. Энергетическое сальдо среднегодового бюджета в приходе и расходе тепловой мощности планеты Е на внешней границе ее атмосферы является специфическим показателем дефицита или избытка тепловой энергии:

где S – солнечная постоянная, S – приращение солнечной постоянной, А –альбедо Бонда, A – приращение альбедо Бонда, – степень черноты системы Земля-атмосфера, – постоянная Стефана-Больцмана; Тр – планетарная термодинамическая температура, Е – удельная мощность изменения теплосодержания активного слоя Океана и атмосферы [Вт/м2], С – удельная поверхностная теплоемкость активного слоя Океана и атмосферы, отнесенная к общей площади поверхности планеты [Дж/м2К], t – время.

Оценку относительного влияния вариации солнечной постоянной и альбедо Бонда на изменение эффективной температуры Земли можно провести исходя из наличия радиационного баланса планеты в термодинамическом равновесии:

«Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября где Тe – эффективная температура Земли.

Введем приращение эффективной температуры Земли Тe, обусловленным приращениями величин солнечной постоянной S и альбедо Бонда A. В этом случае или При постоянстве солнечной постоянной S = 0 из (4) получим Рост альбедо на А = +0,01 ведет к снижению Тe – 0,9 К.

При постоянстве альбедо Бонда А = 0 (А = 0,30 [5]) из (4) получим Падение только величины солнечной постоянной на 0,5% при неизменном альбедо Бонда А = 0 ведет к снижению эффективной температуры Земли на Тe = – 0,32 К. Следует подчеркнут, что для оценок различие между приращениями глобальных приземной (с учетом её запаздывания) и эффективной температур невелико. Снижение эффективной температуры Земли на Тe = – 0,32 К обусловливает повышение величины альбедо Бонда на А = +0,0035, что ведет к дополнительному снижению эффективной температуры еще на ~ 0,3 К и к образованию длинной цепочки таких циклов. Изменение величины альбедо Бонда таким образом оказывает значительное влияние на изменение эффективной (радиационной) температуры Земли как планеты являясь наряду с солнечной постоянной наиболее существенным фактором, определяющим грядущее изменение климата. Однако изменение термодинамической температуры системы Земляатмосфера под действием вариации величин солнечной постоянной и альбедо Бонда происходит со значительной временной задержкой, определяемой постоянной термической инерции планеты [6] где l – глубина активного слоя Мирового океана. Если глубина активного слоя Мирового океана равна 200 – 500 м, то термическая инерция Благодаря весьма большой теплоемкости Мирового океана изменение термодинамической планетарной температуры (с учетом излучательной способности – степени черноты) происходит весьма медленно. Следовательно, приходные и расходные части среднегодового энергетического бюджета земного шара с его воздушной и водной оболочкой вследствие 11-летней и двухвековой вариаций солнечной постоянной практически всегда находятся в несбалансированном состоянии (Е 0), имея либо положительное, либо отрицательное сальдо. Такой несбалансированный среднегодовой тепловой бюджет является основным состоянием климатической системы Земля-атмосфера. При долговременном понижении солнечной постоянной среднегодовое сальдо теплового бюджета системы «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября Земля-атмосфера оказывается отрицательным (E < 0), а при долговременном повышении солнечной постоянной – положительным (Е > 0). При этом вариации солнечной постоянной и альбедо Бонда играют важнейшую роль в изменении энергетического баланса системы Земля–атмосфера и в изменении ее термодинамической температуры. Среднегодовое сальдо энергетического бюджета системы Земля-атмосфера за длительный период времени надежно определит ход и величину накопленной Землей избытка энергии или образовавшегося ее дефицита в тепловом бюджете. Поэтому долговременный космический мониторинг сальдо среднегодового энергетического бюджета системы Земля–атмосфера надежно определит ход и величину накопленной Землей избытка энергии или образовавшегося ее дефицита и c учетом прогноза вариации солнечной постоянной может достоверно определить и заблаговременно (за ~10–20 лет) предсказать направление (при долговременном Е > 0 – к потеплению, а при E < 0 – к похолоданию) и глубину грядущего изменения климата с высокой надежностью.

Наблюдаемое с 1990-х годов снижение солнечной постоянной привел к длительному отрицательному тепловому балансу. Вследствие двухвекового спада светимости Солнца наблюдаемый энергетический дисбаланс (E < 0) сохранится и в дальнейшем еще в течение нескольких последующих 11-летних циклов [1, 2, 7, 8]. В результате Земля и далее будет иметь отрицательное сальдо E < 0 в среднегодовом энергетическом бюджете.

1. Абдусаматов Х.И. О долговременных вариациях потока интегральной радиации и возможных изменениях температуры в ядре Солнца // Кинематика и физика небес.

тел. 2005. 21, № 6. С. 471–477.

2. Абдусаматов Х.И. Об оптимальном прогнозировании высоты следующего 11летнего цикла активности и нескольких последующих циклов на основе долговременных вариаций радиуса Солнца или солнечной постоянной // Кинематика и физика небес. тел. 2007. 23, № 3. С. 141–147.

3. Abdussamatov H.I. About the long-term coordinated variations of the activity, radius, total irradiance of the Sun and the Earth’s climate // Proceedings of IAU Symposium No. 223.

Cambridge university press. 2004. P. 541–542.

4. Shapiro A.I. et al. A new approach to the long-term reconstruction of the solar irradiance leads to large historical solar forcing // Astron. Astrophys. 2011. 529. A67.

5. Trenberth K.E., Fasullo J.T., Kiehl J. Earth’s global energy budget // Bull. Amer. Meteor.

Soc. 2009. 90, No. 3, P. 311–324.

6. Abdussamatov H.I., Bogoyavlenskii A.I., Khankov S.I., Lapovok Y.V. Modeling of the Earth’s planetary heat balance with electrical circuit analogy // J. Electromagnetic Analysis & Applications. 2010. 2. P. 133–138.

7. Абдусаматов Х.И. Об уменьшении потока солнечного излучения и понижении глобальной температуры Земли до состояния глубокого похолодания в середине XXI века // Изв. Крым. астрофиз. обсерватории. 2007. 103, № 4. С. 292–298.

8. Penn M. and Livingston W. Long-Term Evolution of Sunspot Magnetic Fields // 2010.

arXiv:1009.0784v1 [astro-ph.SR]; Link to raw data «Солнечная и солнечно-земная физика – 2011», Санкт-Петербург, Пулково, 3 – 7 октября

ДИАГНОСТИКА КЛИМАТА ЗЕМЛИ НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА

АЛЬБЕДО БОНДА ИЗ ТОЧКИ ЛАГРАНЖА L

Абдусаматов Х.И.1, Измайлов И.С1., Карлин Л.Н.2, Лаповок Е.В.1, Нерушев А.Ф.3, Третьяков Н.Д.3, Государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург

DIAGNOSIS THE EARTH’S CLIMATE BY MONITORING

THE BOND ALBEDO IN THE LAGRANGE POINT L

Pulkovo Observatory of the RAS, Saint-Petersburg, [email protected], Russian State Hydrometeorological University, Saint-Petersburg, Research and Production Association “Typhoon” (Roshydromet), Obninsk, Kaluga Region The method of the monitoring of the long-term Bond albedo variations from the Lagrangian point L1 is suggested. The method is based on measurements of the Earth’s integral radiative flux in the full spectral range (from 0.2 till 100 m) in the direction of the telescope entrance pupil. The diameter of the entrance pupil equals 400 mm. It is defined that the threshold sensitivity is required to be ~10–7 W and the dynamic range equals to four orders of magnitude. The method is pretty sensitive and makes it possible to record the Bond albedo variations at the minimal level 0.1%; this level of the variation corresponds to the planetary Earth’s effective temperature change on 0.03K. At the same time the reflected solar radiation is recorded for the number of spectral ranges, which makes it possible to analyze the atmospheric cloudiness.

Альбедо Бонда и солнечная постоянная являются главными факторами, определяющими климат Земли, что требует систематической информации о вариациях их величин.

Предложен метод глобального синоптического обзора, мониторинга долговременных вариаций облачного покрова и альбедо Бонда Земли и солнечной постоянной из точки Лагранжа L1 системы Солнце-Земля, который прорабатывался ранее, но не был осуществлен [1]. Наш метод основан на измерении интегрального потока излучения Земли во всем спектральном диапазоне (от 0,2 до 100 мкм) в направлении входного зрачка телескопа. Мы предлагаем использовать оптический телескоп и радиометры.