Магнитное поле Солнца как источник его активности на различных пространственно-временных масштабах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-12-00131

НазваниеМагнитное поле Солнца как источник его активности на различных пространственно-временных масштабах

Руководитель Абраменко Валентина Изосимовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки “Крымская астрофизическая обсерватория РАН” , Республика Крым

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые слова Солнце, магнитное поле, солнечные вспышки, активные области, солнечное динамо

Код ГРНТИ41.21.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние десятилетия, с ростом наблюдательных и вычислительных возможностей в астрофизике, стало очевидным, что основной причиной, поддерживающей бесконечную цепь космических нестационарных явлений, являются магнитные поля. В астрофизических условиях, магнитное поле черпает энергию из звезд и галактик. Это небольшое количество энергии под влиянием слабого начального поля расходуется на возбуждение нового магнитного поля (динамо-процесс). Именно этот расход вызывает непрекращающуюся активность и на Солнце, и на звездах, и в Галактике. Поэтому проблема динамо является весьма актуальной в астрофизике. До сих пор исследования в области солнечного динамо и в области прогнозирования вспышечной активности Солнца идут непересекающимися курсами. Исследования, посвященные теоретическим разработкам и прямому численному моделированию динамо оставляют в стороне проблемы вспышек. И наоборот, интенсивное продвижение в области прогноза вспышек опирается в основном на методики машинного обучения, что совсем не связано с изучением физических причин взрывных процессов. Мы предлагаем искать причины активности в самой природе динамо-процесса, т.е., показать, что нелинейная составляющая динамо (локальное турбулентное динамо в широком диапазоне масштабов) может быть выявлено и является важным агентом вспышечной активности Солнца. В этом заключается новизна предлагаемого подхода. Считается общепринятым, что магнитное поле большинства (около 70%) активных областей (АО) на Солнце генерируется глобальным динамо («динамо среднего поля»), при этом для них выполняются эмпирические законы, согласующиеся с теорией глобального динамо (закон полярностей Хейла, закон Джоя о наклоне оси АО, правило знака спиральности в полушариях). При этом хаос на малых масштабах (менее примерно 1000 км) объясняется проявлением локального мелко-масштабного турбулентного динамо. Однако, остается открытым вопрос, как объяснить появление тех 20-30% - «нарушителей», которые не подчиняются законам глобального динамо? Обычными сильными флуктуациями в гауссовом случайном поле их не объяснить (там процент таких выбросов не более пяти). Их можно объяснить как сильные выбросы в перемежаемой среде, т.е., в нелинейной динамической диссипативной системе. Для такой системы сильные выбросы – далеко не редкое явление, причем появляются они как в пространстве, так и во времени. Тогда, в нашем случае, есть основания полагать, что и сильные вспышки связаны как раз с такими «нарушителями». Это открывает новые возможности для физически обоснованного подхода к прогнозированию сильных вспышек и обуславливает актуальность предлагаемого исследования. Таким образом, встает задача научиться выявлять АО, нарушающие законы глобального динамо, изучить свойства их магнитного поля, особенности глубины формирования и вспышечной активности, оценить их вклад в общий магнитный поток на длинном временном интервале, сравнимом с длиной солнечного цикла. В целом, надо определить возможный объем нарушений той самосогласованной картины, которую дает теория глобального динамо. Для решения этой задачи мы планируем выполнить следующее. 1.Создать базу данных активных областей – Каталог АО с открытым Интернет-доступом на основе наблюдений магнитных полей полного диска Солнца инструментом Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) на борту космической станции Solar Dynamic Observatory (SDO) за годы его работы 2010-2017. Каталог АО будет включать: магнитограммы полного вектора поля, информацию о выполнении/нарушении закона полярности (закона Хейла), закона Джоя, данные о токовой спиральности, полном магнитном потоке, о глубине формирования АО, о спектре мощности магнитного поля АО, о величине и направлении глобального электрического тока АО, о вспышечном индексе АО и самой мощной вспышке. Активные области, нарушающие основные эмпирические законы глобального динамо (закон полярностей Хейла, закон Джоя, правило знака спиральности в полушариях) будут рассматриваться нами как результат вмешательства локального динамо. В процессе работы над Проектом, Каталог АО будет дополняться данными со всех доступных источников, включая наши крымские наблюдения на БСТ-1. 2.Вычислить токовую спиральность для всех АО Каталога. 3.Найти закономерности дифференциального вращения активных областей (из Каталога АО) с разными магнитными потоками для определения наиболее вероятной глубины их формирования. Занести данные о глубине формирования в Каталог. 4.По Каталогу АО выявить все АО, нарушающие основные законы (выявить подмножество «нарушителей»). Сопоставить данные по «нарушителям» и по остальным АО (данные о спиральности, полном потоке, вспышечной активности, глубине формирования и др.). Выявить возможные закономерности глубины формирования «нарушителей», сопоставить глубину формирования со спиральностью. Проверить гипотезу о формировании «нарушителей» по всей толщине конвективной зоны. Проверить гипотезу о более сильной вспышечной активности «нарушителей» и особом поведении спиральности в них. 5.Сопоставить суммарный (по диску) поток «нарушителей» и суммарный поток регулярных АО на временном интервале 2010-2017 и выявить связь этих величин с циклическими параметрами солнечной активности (с числами Вольфа, например). Проверить гипотезу о том, что поток «нарушителей» не зависит от цикла и, следовательно, может быть обусловлен локальным динамо. Определить, какая доля суммарного потока от всех АО связана с «нарушителями», т.е., оценить эффективный вклад локального динамо и его изменение с циклом. 6.По магнитограммам АО вычислить вертикальные электрические токи и определить величину глобального электрического тока АО, выходящего из лидирующей части АО и замыкающегося через хромосферу и корону на остальной площади АО. Сопоставить величину тока с параметрами из Каталога АО. Проверить гипотезу о причастности глобального электрического тока к вспышечной активности. 7.Вычислить пространственные спектры мощности магнитного поля и токовой спиральности. На их основе, проверить возможности само-организации магнитных структур (формирование больших структур-пятен из ансамбля малых как перераспределение мощности по спектру). Проверить гипотезу о вкладе локального динамо на малых масштабах. Наклон спектра мощности в АО сопоставить со вспышечным индексом и проверить гипотезу о том, что АО с крутым не-колмогоровским спектром проявляют более высокую вспышечную активность. 8. Построить теоретическую модель формирования спиральности на основе поворота магнитных трубок при всплытии/формирования активной области. Сопоставить вклады в магнитную спиральность вследствие механизма глобального динамо и относительно локальной закрутки в солнечном пятне; сделать оценки возможного выхода магнитной спиральности на солнечную фотосферу и далее в корону. Достижимость поставленной задачи и получение ожидаемых результатов обеспечивается доступностью и высоким профессиональным уровнем используемой наблюдательной базы, высокой квалификацией участников коллектива и широким спектром их профессиональных навыков (профессиональные программисты, наблюдатели, теоретики), высоким уровнем и большим опытом руководителя Проекта. Коллектив имеет серьезный научный задел по Проекту. Все применяемые в Проекте методы разработаны членами коллектива, причем некоторые из них давно известны и широко применяются на мировом уровне. Например, метод вычисления токовой спиральности был впервые предложен в пионерских работах руководителя Проекта и с тех пор широко применяется учеными. То же можно сказать о методе исследования активной области по ее спектру мощности магнитного поля.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Абраменко В.И., Жукова А.В., Куценко А.С. Contributions from different-type active regions into the total solar unsigned magnetic flux Geomagnetism and Aeronomy, N 7, Vol. 58, pp. 1159-1169 (год публикации - 2018)
10.1134/S0016793218080224

2. Сафиуллин Н.Т., Клиорин Н., Поршнев С., Рогачевский И., Рузмайкин А. Nonlinear mean-field dynamo and prediction of solar activity Journal of Plasma Physics, Volume 84, Issue 3, article id. 735840306, 16 pp. (год публикации - 2018)
10.1017/S0022377818000600

3. Куценко А.С., Абраменко В.И., Певцов А.А. Extended statistical analysis of emerging solar active regions Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) (год публикации - 2019)

4. Жукова А.В. Каталог активных областей 24-го цикла Известия Крымской Астрофизической обсерватории, Том 114, N 2, с. 74-86 (год публикации - 2018)
10.31059/izcrao-vol114-iss2-pp74-86

5. Куценко О.К., Куценко А.С., Абраменко В.И. Magnetic Power Spectra of Emerging Active Regions Springer, Volume 294, Issue 8, article id. 102, 11 pp. (год публикации - 2019)
10.1007/s11207-019-1498-3

6. Куценко А.С., Абраменко В.И., Певцов А.А. Extended statistical analysis of emerging solar active regions Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 484, Issue 3, p.4393-4400 (год публикации - 2019)
10.1093/mnras/stz308

7. Кузанян К.М., Сафиуллин Н., Клиорин Н., Рогачевский И., Поршнев С. LARGE-SCALE PROPERTIES OF THE TILT OF SUNSPOT GROUPS AND JOY’S LAW NEAR THE SOLAR EQUATOR Astrophysics, Vol. 62, No. 2, P.261 (год публикации - 2019)
10.1007/s10511-019-09579-2

8. Жукова А.В., Абраменко В.И., Куценко А.С. Time variations of the total unsigned magnetic ux of active regions during the solar cycle 24 Astronomical and Astrophysical Transactions, Vol.31, Issue 2, p. 75 (год публикации - 2019)

9. Абраменко В.И., Юрчишин В.Б. Analysis of quiet-sun turbulence on the basis of SDO/HMI and Goode Solar Telescope data Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 497, Issue 4, Pages 5405–5412 (год публикации - 2020)
10.1093/mnras/staa2427

10. Клиорин Н.И., Сафиуллин Н.Т., Кузанян К.М.,Рогачевский И.,Тлатов А.Г.,Поршнев С. The mean tilt of sunspot bipolar regions: theory, simulations and comparison with observations Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 495, Issue 1, Pages 238–248 (год публикации - 2020)
10.1093/mnras/staa1047

11. Куценко А.С. The rotation rate of solar active and ephemeral regions – I. Dependence on morphology and peak magnetic flux Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (год публикации - 2020)
10.1093/mnras/staa3616

12. Фурсяк Ю.А.,Куценко А.С., Абраменко В.И. Distributed Electric Currents in Solar Active Regions Solar Physics, Vol. 295, Article number: 19 (год публикации - 2020)
10.1007/s11207-020-1584-6

13. Жукова А.В., Хлыстова А.И., Абраменко В.И.,Соколов Д.Д. A Catalog of Bipolar Active Regions Violating the Hale Polarity Law, 1989 – 2018 Solar Physics, Vol. 295, Article number: 165 (год публикации - 2020)
10.1007/s11207-020-01734-9

14. Жукова А.В.,Соколов Д.Д.,Абраменко В.И.,Хлыстова А.И. Cyclic Variations, Magnetic Morphology, and Complexity of Active Regions in Solar Cycles 23 and 24 Geomagnetism and Aeronomy, Vol. 60, No. 6, pp. 673–683 (год публикации - 2020)
10.1134/S001679322006016X

15. Плотников А.А., Куценко А.С. On the possibility of deriving the absolute value of magnetic field vector from Stokes I and V Astronomical and Astrophysical Transactions, Vol. 31, Issue 3, pp. 351–362 (год публикации - 2019)
10.17184/eac.3129

16. Тимошенкова Ю.,Сафиуллин Н. The Dependence of the Sunspot Forecast Accuracy Using LSTM Networks From Number of Cycles in the Training Set Proceedings - 2020 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology, USBEREIT 2020, Номер статьи 9117641, Pages 452-455 (год публикации - 2020)
10.1109/USBEREIT48449.2020.9117641

Публикации