Source: http://www.libed.ru/konferencii-astronomy/212901-6-issn-0552-5829-rossiyskaya-akademiya-nauk-glavnaya-pulkovskaya-astronomicheskaya-observatoriya-ran-minpromnauki-ro.php
Timestamp: 2019-04-23 14:16:14+00:00

Document:
It may be conjectured that t III, the hybrid time between the gravitational oscillation time and the heat wave transport time, may be related to the 1.3 year latitude oscillations of the magnetic zonal boundaries of large-scale unipolar regions or possibly the 2 years periodicities in the work of Benevolenskaya. The same conjectures may be stated however in relation with t V.
Similarly one may conjecture that t IV, the hybrid time between the characteristic oscillation time of the Sun (or the time for a sound wave to cross the Sun) with the Helmholtz-Kelvin time, with the shorter time scale of the Gleisberg cycle although this seems very hypothetical as t g and t HK are so wide apart that we expect only a vague effect to be swallowed in the midst of all casual fluctuations. We rather expect that t hc might rather correspond with the shorter Gleisberg cycles. Of course there may be even two mechanisms involved in the Gleisberg cycle.
In fact one of the conclusions of the paper by Ogurtsov et al. (2002) reads as follows: “The century-type solar variation – the Gleisberg cycle, has not a single 80 – 90 year periodicity (as it was considered till now) but has a wide frequency band (50 – 140 years) and a complex character. More likely it consists of two oscillation modes: 50 – 80 years periodicity and 90 – 140 years periodicity. The Suess cycle is 160 – 260 years and the cycle is more stable and less complex as Schove (1983) suggested”. However, for the Suess cycle we have a clear explanation based on the evolution of the rest-latitudes of the large scale unipolar magnetic field regions (Callebaut et al. 2003b).
5. Conclusion 1. We have shown that one coincidence between two characteristic times is not accidental but has a physical basis: the time of global oscillation of a star (which moreover corresponds to Kepler’s third law) has to be the same as the time needed for a sound wave to cross the diameter of the star.
2. We have drawn the attention to hybrid effects, i.e. two physical effects may have some interference, which may have a weak, even a very weak effect, but nevertheless may manifest themselves. We have calculated several hybrid time scales and made possible suggestions in relation with some periodicities which turn up in the solar cycle. These suggestions may stimulate detailed investigations.
3. Probably several hybrid effects as well as some minor effects are at work resulting in a variety of periodicities, which may moreover, be masked by accidental effects. This seems to correspond to the actual observational situation. Indeed, there are the periodicities around 1 and 2 years reported by Tavastsherna et al. (2002) and by Benevolenskaya. For larger periods Ogurtsov et al. (2002) indicate wide bands of periods: 50 – 80 years and 90 – 140 years for the Gleisberg cycle and 170 – 260 years for the Suess cycle.
Acknowledgments One of us (DKC) is grateful for the kind hospitality in Pulkovo Astronomical Observatory, St. Petersburg, Russia, in particular to Dr. K. S. Tavastsherna.
References Callebaut, D. K.: 1967, In “Instabilit gravitationnelle et formation d'toiles, des galaxies et de leur structures charactristiques”, Colloque International d'Astrophysique, Universite de Lige Press, Lige, 41.
Callebaut, D.K., 1972, Simon Stevin, 45, p.1-315.
Callebaut, D. K.: 1986, Lecture notes, (Revised 2003), Univ. of Antwerp (UIA) Press, Antwerp, Belgium.
Callebaut, D. K., Makarov, V. I. and Tlatov, A. G.: 2003a, “Qualitative Considerations on Solar Cycle”, this conference.
Callebaut, D. K., Makarov, V. I. and Tlatov, A. G.: 2003b, “Relation between the Suess cycle and the rest-latitudes of the large-scale unipolar magnetic field regions”, this conference.
Callebaut, D. K. and Makarov, V. I.: 1992, Solar Phys., 141, 381.
Chandrasekhar, S.: 1939, “An Introduction to the Study of Stellar Structure”, Dover ed., 1957.
Makarov, V. I., Tavastsherna, K. S., Tlatov, A. G. and Callebaut, D. K.: 2002b, in Proc. 10th European Solar Physics Meeting, “Solar Variability: From Core to Outer Frontiers”, (Prague, Czech Republic), ESA SP-506, p. 173.
Makarov, V. I., Tlatov, A. G., Callebaut, D. K. and Obridko, V. N.: 2002a, Solar Phys., 206, 383.
Ogurtsov, M. G., Nagovitsyn, Yu. A., Kocharov, G. E. and Jungner, H.: 2002, Solar Phys., 211, 371.
Schove, D. J.: 1983, “Sunspot Cycles”, Hutchinson Ross Publ. Co., Stroudsberg, Pennsylvania.
Tavastsherna, K. S., Makarov, V. I., Tlatov, A. G. and Callebaut, D. K. 2002, in Proc. Pulkovo Astronomical Observatory, St. Petersburg, p. 373.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля QULITATIVE CONSIDERATIOS ON SOLAR CYCLE Callebaut D.K.1 and Makarov V.I. Physics Dept., Campus Drie Eiken, University of Antwerp. B-2610 Antwerp, Belgium Pulkovo Astronomical Observatory, 196140 St. Petersburg, Russia Abstract We suppose that the sphere below the convective zone exhibits an oscillation with respect to the shell constituting the convective zone. At the bottom of the latter magnetic layers are detached which give rise to sunspots and polar faculae. We explain qualitatively the evolutionary track of polar faculae and sunspots, the alternation of the polarity, why the solar faculae cycle precedes the next sunspot cycle and why bigger spots appear at the end of the cycle. Some other phenomena fit as well.
1. Introduction In our paper (Callebaut and Makarov, 1992) we stressed the occurrence of three major solar phenomena: the sunspot cycle (with its butterfly diagram), the polar faculae cycle (with its own butterfly diagram shifted in space and time with respect to the sunspot butterfly diagram) and the large-scale weak magnetic field areas (with filament bands as boundaries). We may add torsional oscillations and coronal holes. From the observations it is clear that all these solar phenomena are linked together. This is particularly clear from the periodicity: each has a period which corresponds to a solar cycle or to a magnetic cycle (i.e. two solar cycles). The phases may be shifted, the location may be different, the strength of the phenomena may differ orders of magnitude, but there can be no doubt that they are all related, all manifestations having a common origin and part of a global mechanism.
We suggest here that the common generator is situated at the bottom of the convective zone: an oscillation allowing to detach seed magnetic fields (not necessarily small) from this bottom layer. These detached fields then find their way upwards but are enhanced and/or hampered and/or delayed in various ways according to their locations, resulting in a variety of phenomena when they finally reach the solar surface. Although the origin and maintenance of the oscillation needs to be further clarified the whole picture allows a qualitative explanation of a whole bunch of features of solar magnetism.
2. Observational data Contrary to common belief a polar faculae cycle precedes its next sunspot cycle. See Makarov and Makarova (1987, 1996, 1999). Thus the observation of polar faculae, or equally well the observation of K line bright points that are associated with the polar faculae, yields a most valuable tool in the prediction of the subsequent sunspot cycle. However, here our concern is to explain how this connection is possible.
3. Considerations of the oscillations of the bottom layer of the convective zone The Sun is in a kind of equilibrium, which is the combined result of a balance between gravity and pressure on the one hand, and a thermal balance between energy productions at the core and energy transport through the whole volume.
Such an equilibrium, which is apparently stable, may exhibit small oscillations. These may manifest themselves as waves passing through the Sun, essentially starting at the core of nuclear energy production. One kind of waves is gravity-pressure (or density) waves which have a fast time scale (say hours).
The other kind is heat waves which have a slow time scale (decades to a hundred centuries according to the case under consideration). The fast gravity pressure waves contribute to quench the possibility of a thermal instability and thus to keep the over- or underproduction of heat in the nuclear oven under control so that the heat production and luminosity are quasi-uniform. It is clear that, relatively speaking, only very, very tiny fluctuations may be expected.
However, the equilibrium or steady-state energies involved are that huge that a very small fraction of them is still tremendously much larger than e.g. the magnetic energy dissipated in a solar cycle. The gravitational potential energy of the Sun is near to G (M!)2/R! = 4 10 41 J with conventional notations. The corresponding kinetic energy (heat) is then 2 10 41 J. On the other hand the magnetic energy dissipated per cycle is “only” 10 29 J and most of this will be taken from the rotational energy of the Sun (2 10 35 J ) and not from the triggering mechanism.
A wave may travel rather smoothly through a medium of slowly varying properties, but when e.g. a gravity-pressure wave hits a kind of discontinuity some shock effect may occur. One may consider the following four quasi discontinuities (a) The transition (at about 0.1 R!) of the region of nuclear energy generation to the non-generating region. This is probably rather intimately related to the nuclear instability to be an independent trigger of the magnetic phenomenon.
(b) The transition (at about 0.5 R!) of the uniformly rotating central sphere to the differentially rotating outer part. This transition is probably still too smooth to be the trigger of the magnetic cycle. Nevertheless, as in case (a), it may have effects, although probably secondary.
(c) The transition (at about 0.7 R!) from radiative heat transfer to the convective zone. As this is often considered the basis of the magnetic cycle and as it is expected to possess thin layers of very strong magnetic fields, we shall concentrate on it.
Makarov et al. 2002a, 2002b) but rather as a consequence than as a cause. In (Callebaut, Makarov and Tlatov, 2002b) we calculated that the outer layer of the Sun (say from 0.95 R! to R!) expanded over a distance of the order of 10 5 R!
/ R! is of the order 10 5. Hence the change in pressure in the central core of the Sun is of the order of 10 8, at most 10 7. However, the nuclear reactions are very sensitive to the pressure in particular to the temperature. Nevertheless, even taking a variation in energy production of 10 6 we are far from the variation in luminosity accompanying the solar cycle. However, the expansion (and subsequent contraction) of the outer layer of the Sun may have the effect of a trigger and once the decrease (or increase) of the central temperature and energy production has started it may continue at a bigger rate before the sound wave (characteristic time: 100 s) and heat wave (characteristic time: 50 years) may have escaped the nuclear core. In that sense the expansion of the outer layer may still have an influence, although probably secondary as in the cases (a) and (b).
4. On the evolutionary tracks The evolutionary tracks of polar faculae and sunspots from the bottom layer of the convective zone to the surface are determined by the buoyancy force, the centrifugal force and gravity. The centrifugal force is opposite (i.e.
delays the rise of the magnetic flux tubes that will cause sunspots) and hence reach the solar surface later than the polar faculae, which profit from the centrifugal force to reach faster the surface. The effect for the sunspot is more pronounced closer to the equator and hence those flux tubes arrive later at the surface and are bigger on the average as they had more time to grow. The full details will be published elsewhere.
5. Conclusion All solar magnetic phenomena seem to be related, caused by one global solar mechanism. The basis of this is probably at or very near to the bottom of the convective zone. A vibration of the latter may cause flux tubes to detach which will rise to the surface. However, the situation is different for e.g. polar faculae, which profit from the radial gradient of rotation while the rise of the spots is counteracted by the radial gradient of rotation. Hence they travel longer and have more time to grow. And this is more pronounced near the equator where the radial gradient of rotation is stronger.
Acknowledgments One of us (DKC) is grateful for the kind hospitality in Pulkovo Astronomical Observatory, St. Petersburg, Russia, in particular to Dr. K.S. Ta vastsherna.
References Callebaut, D.K. and Makarov, V.I.: 1992, Solar Phys., 141, 381.
Callebaut, D.K., Makarov, V.I. and Tlatov, A.G.: 2000, in A. Wilson (ed.), Proc.
1st Solar and Space Weather Euroconference, “The Solar Cycle and Terrestrial Climate”, ESA SP-463, Tenerife, Spain, p. 297.
Callebaut, D.K., Makarov, V.I. and Tlatov, A.G.: 2002, in H. Sawaya-Lacoste (ed.), Proc. 2nd Solar and Space Weather Euroconference, SOLSPA 2001, Vico Equense, Italy, p. 209.
Makarov, V.I. and Makarova, V.V.: 1987, Soln. Dann No. 3, 62.
Makarov, V.I. and Makarova, V.V.: 1996, Solar Phys., 163, 267.
Makarov, V.I. and Makarova, V.V.: 1999, in A. Wilson (ed.), Proc. 9th European Meeting on Solar Physics, ESA SP-448, p. 121.
Makarov, V.I., Tavastsherna, K.S., Tlatov, A.G. and Callebaut, D.K.: 2002b, in Proc. 10th European Solar Physics Meeting, “Solar Variability: From Core to Outer Frontiers”, (Prague, Czech Republic), ESA SP-506, p. 173.
Makarov, V.I., Tlatov, A.G., Callebaut, D.K. and Obridko, V.N.: 2002a, Solar Phys., 206, 383.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля RELATION BETWEEN THE SUESS CYCLE AND THE REST-LATITUDES OF THE LARGE-SCALE UNIPOLAR MAGNETIC FIELD REGIONS Callebaut D.K.1, Makarov V.I.2 and Tlatov A.G. Physics Dept., Campus Drie Eiken, University of Antwerp. B-2610 Antwerp, Belgium Pulkovo Astronomical Observatory, 196140 St. Petersburg, Russia Abstract From the cyclic decrease (4/3° per cycle on the average) of the rest-latitudes of both filament bands and the nearly constant latitude difference (21°) between both filament bands, we infer that about every 16 cycles or 170 years a particular situation occurs which may last a few cycles. This may be related to the Suess cycle (170 – 260 years) as well as the occurrence of major or minor grand minima.
1. Introduction In an earlier paper (Callebaut and Makarov, 1992) we stressed the relevance of three mayor solar phenomena in order to investigate the global solar cycle: the sunspots (with their butterfly diagram), the polar faculae (with their own butterfly diagram, shifted in time (advanced!) and latitude with respect to the one of the sunspots) and the large-scale unipolar magnetic field regions, all three showing the same periodicity and thus being different aspects of the same global solar cycle. The large-scale unipolar field regions alternate in polarity and their boundaries show so-called rest-latitudes (see below) during the minimum of a solar cycle. We have shown (Makarov, Tlatov, Callebaut and Obridko, 2002a) that these large-scale unipolar field regions are largely responsible for the doubling during last century of the magnetic flux reaching the Earth as their rest-latitudes come closer to the equator every cycle and thus have increased the polar cap. Here we turn away from the pole to see the effects in the sunspot region. It is our purpose to show that when the rest-latitudes come close to the equator this involves a disturbance of the sunspot cycle with a period of about 16 cycles (say 170 years), which may be associated with the shorter periods of the Suess cycle (170 – 260 years). As the disturbance may last 3, 4 or 5 cycles it may be related to the grand minima too.
2. Observational data We refer to Makarov and Makarova (1987, 1996, 1999) for the polar faculae diagrams and the decreasing latitude of the rest-latitudes of the boundaries of the large-scale unipolar magnetic field regions. We refer to Ogurtsov, Nagovitsyn, Kocharov and Jungner (2002) for the periods of the Suess cycle.
3. Equator-ward evolution of rest-latitudes of filament bands and Suess cycle The large-scale unipolar magnetic field regions originate in the vicinity of the solar equator, say around the minimum latitude (about 8o) of sunspots. They appear first as a lot of unipolar regions of the same polarity which then unite to form a very irregular band encompassing some 25o in latitude and encircling the Sun. These large-scale unipolar regions move steadily to the poles, each in its own hemisphere. Their speed is variable according to the phase of the solar cycle. In particular during the minimum of the solar activity they remain more or less at the same latitude, exhibiting small oscillations around it, i.e. moving a few degrees pole-ward and then back equator-ward and so on. Their boundaries, where the polarity changes (from a field inward the Sun to one outwards and vice versa) coincide practically with filament bands encircling the whole Sun.
The rest-latitudes of these boundaries, or filament bands, constitute neutral lines (in the line of sight). They are at present around 39o and 18o, with small differences between the north and south hemispheres. However, 12 cycles ago they were situated at say 54o and 33o respectively and they have evolved gradually towards the equator. See the figures in Makarov and Makarova (1999). This means a decrease in latitude of about 15o in 12 cycles or 4/3o per cycle on the average. The effect of the increase of the polar cap and thus the possible increase of the associated magnetic flux reaching the Earth has been reported (Makarov, Tlatov, Callebaut and Obridko, 2002a). However, the large scale unipolar magnetic field regions may have a perturbing influence around the equator and thus the sunspot cycle too. Indeed, the lower boundary is now coming close to the equator and even closer to the latitude (about 8o) where new boundaries are generated. From 18o to 8o is 10o which may be covered in cycles at the rate of about 4/3o per cycle. However, the perturbing effect must occur much before that and may actually take place already now during the 23rd cycle (which, by the way, appears to be a queer one). Indeed, the upper and lower rest-latitude of the boundary of the large-scale unipolar region at mid latitudes, approach both the equator, while keeping their mutual distance: they remain about 21o apart and the distance between the lower rest-latitude and the latitude where the new boundary is born can not be much less. This is confirmed by the fact that as soon as the newly born boundaries appear, the two other ones start to move to the poles. Hence we expect a perturbing effect starting now and lasting a few cycles, until the situation is normalized again.
21o divided by 4/3o per cycle yields 16 cycles or about 170 years. Hence every 16 cycles a similar situation occurs. This may be related to the shorter periods of the Suess cycle. Ogurtsov et al. (2002), using various proxies and investigating several centuries and even several millenaries indicate for the Suess cycle periods from 170 to 260 years. Taking into account that the perturbation caused by the lower boundaries coming close to the equator, or rather close to the newly born boundaries, may last for a few cycles (say 3 to 5) we may find it plausible that the Suess cycle is not clear cut at 16 cycles, but spreads over a band of periods of which 170 years, however, is the shorter one.
When we look at the Wolf numbers we find some indication too of the period of about 16 cycles. Indeed the Maunder Minimum started around 1640.
After 1640 we had 14 cycles till the fair Wolf number of 132 in 1787, followed by a very weak cycle with its maximum in 1804 (Wolf number 47.5): this was probably a combination of two cycles (17 years) according to Usoskin et al.
(2002), followed by two other long and weak cycles of 12 and 14 years respectively and low Wolf numbers 45.8 and 71. Clearly a serious disturbance started with the 15th cycle following the beginning of the Maunder Minimum.
The year 1837 (cycle 8) had again a strong Wolf number (138). Presently we are 16 cycles further and indeed cycle 23 shows some signs that perturbation sets in.
Yet, counting from 1804 we are 2 centuries further. Clearly there are still wide variations as is evident from the Suess periods spanning 170 to 260 years. For the difference in rest-latitude (21o) of the filament bands we have only values since cycle 12 (and to some extent since cycle 11). Maybe the difference is slightly variable over a few cycles.
It may be added that the higher rest-latitude of the large-scale unipolar magnetic field regions practically coincides with the separation between the sunspot region and the polar faculae region. This is at least presently the situation, but we suppose this to be a feature at all times. This separation corresponds to the conical blades in the convection zone where r = 0, i.e.
where the angular velocity has no radial variation. This aspect is related as well to the 1.3-year latitude oscillations of the rest-latitudes See Makarov et al.
(2002b). However, these aspects will be exposed in a forthcoming paper.
4. Conclusion 1. From the fairly constant difference (21o) in rest-latitudes of the filament bands and the fact that they approach the equator with about 4/3o per cycle we suggest a periodicity of about 16 cycles or 170 years. This may correspond to the Suess cycle (170 – 260 years).
2. Cycle 23 may be on the verge of a series of weak sunspot cycles or even a grand minimum (a minor or a mayor one).
3. The relevance of the large-scale unipolar magnetic field regions and their associated boundaries, the filament bands, may not be underestimated in the search for understanding the global solar cycle.
Acknowledgments One of us (DKC) is grateful for the kind hospitality in Pulkovo Astronomical Observatory, St. Petersburg, Russia, in particular to Dr. K.S.
References Callebaut, D. K. and Makarov, V. I., 1992, Solar Phys., 141, 381.
Makarov, V. I. and Makarova, V. V.: 1987, Soln. Dann No. 3, 62.
Makarov, V. I. and Makarova, V. V.: 1996, Solar Phys., 163, 267.
Makarov, V. I. and Makarova, V. V.: 1999, in A. Wilson (ed.), Proc. 9th European Meeting on Solar Physics, ESA SP-448, p. 121.
From Core to Outer Frontiers”, (Prague, Czech Republic), ESA SP-506, p.
Makarov, V. I., Tlatov, A. G., Callebaut, D. K. and Obridko, V. N., 2002a, Solar Phys., 206, 383.
2002, Solar Phys., 211, 371.
Usoskin, I. G., Mursula, K. and Kovaltsov, G. A.: 2002, in H. Sawaya Lacoste (ed.), Proc. 2nd Solar and Space Weather Euroconference, SOLSPA 2001, p. 257.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля ИССЛЕДОВАНИЕ НЕВОЗМУЩЕННЫХ ОБЛАСТЕЙ СОЛНЦА В ЛИНИИ He I 10830 ПО НАБЛЮДЕНИЯМ В ПУЛКОВЕ Кандрашов Э.В., Никифоров В.Г.
Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург, Россия edward@ista.ru.
INVESTIGATION OF SOLAR UNDISTURBED REGIONS BY THE He I 10830 OBSERVATIONS MADE IN PULKOVO Kandrashov E.V., Nikiforov V.G.
Pulkovo Observatory, St. Petersburg, RUSSIA. E-mail: edward@ista.ru Abstract When observing in X-rays or in high-ionized lines of metals, there is a problem to find outlines of coronal holes which are screening by neighbor 3-dimensional optically-dense coronal formations. This problem is absent when we observe it by means of He I line. The helium maps give us an opportunity to elaborate an objective and well algorithmized criterion for determination of coronal holes boundaries It is possible to divide undisturbed regions of solar atmosphere into the following three class: quiet sun, coronal gaps and coronal holes. Quiet sun and coronal gaps represent an extensive territory between active regions and coronal holes. Coronal gap differ from quiet sun by its lower helium absorption similar as at coronal hole, and it differ from coronal hole by presence of a supergranular structure just as the quiet sun has.
All three types of undisturbed atmosphere are probably the certain stages of transition from one limit condition to other like a marshy lakeshore is a gradual transformation of open water into dry land.
Длительное время невозмущенные области Солнца не представляли интереса для солнечной физики, так как считались пассивным фоном, на котором разыгрываются жизненно-важные процессы, так называемые «активные» явления — пятна, вспышки и т.п. Это отразилось, например, в том, что исторически первый индекс солнечной активности — число Вольфа  — учитывал только количество пятен и их групп.
Постепенное совершенствование техники и накопление наблюдательных фактов вело к пересмотру этой концепции. Была открыта хромосферная сетка и супергрануляция — особая структура, проявляющаяся в излучении хромосферных линий , поле упорядоченных скоростей [3,4] и структуре магнитного поля . Были обнаружены так называемые «фоновые» — крупномасштабные поля , открыт факт оконтуривания униполярных их территорий спокойными протуберанцами-волокнами , обнаружен медленный дрейф крупномасштабных полей к полюсам, иногда к экватору . Наконец, открытие корональных дыр  — особого состояния невозмущенного солнца — полностью сломало старую концепцию, так как последние оказались первыми по своей геоэффективности. Еще раньше была обнаружена связь между коронально-дырочной активностью (М областями) Солнца на спаде цикла и пятенно-вспышечной активностью в следующем цикле [10,11]. Понятие спокойного или невозмущенного солнца стало терять прежний смысл и употребляется теперь, как синоним отсутствия пятенно-вспышечной формы активности .
Такая последовательность концепций была обусловлена тем, что явления в области «спокойного солнца» труднее наблюдать, чем так называемые «активные». Пятна видны даже невооруженным глазом, если свет Солнца ослаблен дымкой или закопченным стеклом. Вспышки и протуберанцы потребовали для своего наблюдения протуберанц спектроскопа , хромосферная сетка – спектрогелиографа  и интерференционно-поляризационного фильтра . Чтобы увидеть корональные дыры, нужны космические аппараты со сложнейшей аппаратурой на борту – телескопами для рентгеновского или примы кающего к нему коротковолнового ультрафиолетового излучения .
О наблюдении корональных дыр в линии He I 10830 следует сказать особо. Во-первых, возможность таких наблюдений была открыта после получения их бортовых изображений . Во-вторых, не следует думать, что если данная линия доступна для наземных приборов, то наблюдать ее легко, ну, например, как изображения в H или H и K Ca.
Спектрогелиограммы в линии 10830 получали еще в 1928 г. д’Азамбужа , однако, корональных дыр не видели. Причина трудности заключается в том, что линия гелия имеет глубину в области «спокойного солнца» всего 0.03-0.08, а в корональной дыре 0.00-0.03 . Фотографический метод регистрации, которым пользовались, в частности, д’Азамбужа, обладает точностью не лучше 5% , поэтому фотоэмульсия просто неспособна «увидеть» такие малоконтрастные образования из-за своих природных шумов.
Но и фотоэлектрические приемники излучения, позволяя зарегистрировать факт наличия или отсутствия корональной дыры, все же не дают легкой возможности добыть сведения о структуре и динамике этого образования. Существенной помехой становится тот факт, что на «портрет» корональной дыры, как на двойном снимке фотографа любителя, оказывается наложен «пейзаж» солнечной грануляции .
Причем, контраст «портрета» составляет всего 3%, тогда как контраст «пейзажа» доходит до 20% . Сглаживание посредством увеличения апертуры сканирования или, что тождественно, путем расфокусировки, малоэффективно, так как снижается информация и о структуре корональной дыры. То же можно сказать и о временнм усреднении, только тут «приносится в жертву» информация о динамике объекта.
Радикальным средством устранения влияния солнечной грануляции являются дифференциальный [21-23]и компенсационный [24,25] методы регистрации, причем, наивыгодным является второй метод, так как предоставляет возможность компенсации фона на всем динамическом диапазоне яркостей. Наилучшим же выполнением и дифференциального и компенсационного метода является вариант, когда используется для основного и референтного лучей один и тот же приемник излучения. Этим достигается компенсация большинства инструментальных и атмосферных погрешностей.
Именно по такому принципу – компенсационный метод с одним светоприемником – и был построен в Отделе Астрономической техники ГАО (Пулково) прибор «Инфракрасный компьютерный солнечный спектрофотометр» (ИКСС) [24-25], использованный нами для данной работы. Реальный шум прибора составил 0.3%, т.е. обеспечил получение 10 независимых градаций на динамическом диапазоне корональной дыры и 16 градаций на остальном диапазоне «спокойного солнца».
Характеристики ИКСС и методика их исследования опубликованы ранее . Как следует из названия прибора, результаты измерений оцифровывались в реальном масштабе времени и регистрировались компьютером на его жесткий диск. Это позволило производить глубокую компьютерную обработку материала и, в частности, привести значения центральной интенсивности линии гелия (уже избавленной от водяной бленды самим компенсационным методом) к единичной атмосферной массе на всем видимом диске Солнца.
Возвращаясь к прошлому, нужно вспомнить, что сопоставление фотозлектрических спектрогелиограмм в линии He I 10830 обсерватории Китт-Пик с рентгеновскими снимками Солнца, полученными с помощью Скайлэба, показало возможность наблюдать с поверхности Земли корональные дыры. Но до сих пор в литературе не проведено обстоятельного анализа сходства и различия результатов, даваемых этими двумя методами. О том, что различия есть, свидетельствует, кроме прочего, тот факт, что наземные наблюдения не вытеснили наблюдений бортовых. На смену Скайлэбу пришли другие аппараты, в том числе Yohkoh и SOHO. Остановимся же на этих различиях подробнее.
Наблюдения в непрерывном рентгеновском излучении (Yohkoh) выявляют оптически плотные излучающие корональные образования над солнечными Активными областями, простирающиеся до 1.0-1.5 радиуса Солнца над уровнем фотосферы. В промежутках между ними можно видеть корональные дыры, как самые темные области поверхности темного солнечного шара, редко «посыпанного» так наз. Яркими рентгеновскими точками (ЯРТ). Участки «спокойного солнца», не принадлежащие АО и КД, выглядят не столь темными из-за покрывающего их оптически тонкого и незначительного по высоте светящегося слоя нижней короны. Аналогичная картина видна и в спектральных линиях высокоионизованных металлов в крайнем ультрафиолете (EIT SOHO) с тем только отличием, что корональные светящиеся образования там менее плотны, простираются на меньшую высоту, а КД не столь темны. По сути дела мы видим трехмерную картину, и лежащие у основания короны корональные дыры могут быть частично или полностью заслонены соседними яркими образованиями.
расположенных вблизи над ним излучающих корональных образований.
Но этот «отпечаток» по сути дела является двумерным, «натянутым» на шар. Эффекты экранирования отсутствуют.
Иными словами, в рентгене мы видим КД как лесное озеро из окна вертолета, контур которого частично заслоняется кронами деревьев, если мы смотрим на него не по нормали сверху, но и в этом случае берега озера могут быть заслонены от нашего взора, если деревья тесно обступают его.
В линии же гелия мы как бы имеем дело с картой местности, где все предметы нанесены на одну плоскость, и контур озера ясно виден под любым углом зрения. Это иллюстрирует рис. 1 (север на снимках вверху, восток – слева). В линии 14-кратно ионизованного железа (на левом снимке) видна без искажений лишь корональная дыра в центре видимого диска Солнца, тогда как у северной полярной КД, возможно, немного экранирована низкоширотная граница, а южная КД заслонена полностью.
Такая же участь ожидает и центральную КД через несколько дней, когда вращение Солнца перенесет ее к лимбу.
Рис.1. Слева – Солнце в крайнем ультрафиолете, линии 14-кратно ионизованного железа 284, аппарат SOHO, Годдаровский космич. Центр NASA, 9 июля в 13 ч. 07 м. UT. Справа – спектрогелиограмма Солнца в линии HeI 10830, полученная наземным вакуумным телескопом Национальной обсерватории Китт Пик, 8 июля 2003, 16 ч. 50 м. UT.
супергрануляционной структурой — видны без помех независимо от угла зрения. Применяя компьютерное преобразование координат (полвека тому назад это делали проектируя снимок на сферу) можно следить за эволюцией корональной дыры почти на протяжении двух недель.
Подытоживая сказанное, можно заключить, что снимки в рентгене дают возможность изучения трехмерного строения корональных излучающих образований, тогда как спектрогелиограммы в линии He I 10830 наилучшим образом пригодны для изучения морфологии и динамики корональных дыр. В особенности, а может быть исключительно, это относится к картам Солнца в этой линии, полученным в компенсационном режиме, как описано выше. Невнимание к этой особенности рассмотренных методов приводит иногда к парадоксальным утверждениям, встречающимся в литературе, что «границы корональных дыр (по снимкам в рентгене – примеч. авт.) определяются флоккулами активных областей». На ошибочность такого вывода указывает множество фактов, в том числе наблюдавшийся нами  в августе 1985 г., в дифференциальном режиме, случай прохождения геоэффективной экваториальной КД на фоне целого полушария, практически лишенного активных образований (рис.2). За время плюс-минус неделя ни одно пятно не пересекало центральный меридиан, и большую часть этого полуоборота пятна на видимом диске Солнца вообще отсутствовали. К вопросу о том, что находится между корональными дырами и активными областями, мы вернемся чуть позже.
Рис.2. Прохождение КД через центральный меридиан 10 августа 1985 г.
В предыдущих публикациях мы отмечали, что получение компьютерных карт Солнца в линии He I 10830 в компенсационном режиме открывает возможность автоматического определения границ корональных дыр объективным методом, основанным на получении гистограмм значений интенсивности линии в активных областях, на спокойном солнце и в корональных дырах. Пример таких гистограмм приведен на рис.3, где по абсциссе расположены центральные интенсивности линии, а по ординате – количество элементов карты с данной интенсивностью линии. Здесь гистограммы активных областей (AR на рисунке) и спокойного солнца (QS) нормированы. Точка пересечения нормированных гистограмм дает статистически обоснованный уровень для проведения на карте границы между активной областью и спокойным солнцем, т. к. в точке пересечения вероятности принадлежать тому или другому типу образования равны. Из рисунка видно, что этот уровень составляет 0.92. На рис.4 аналогично показано определение уровня, соответствующего границе спокойного солнца (QS) и корональной дыры (CH). Он равен 0.97.
На полученных нами картах — рис.5, слева — интенсивность линии гелия кодирована псевдоцветом. Черный и серый цвета соответствуют спокойному солнцу. Темно-красный цвет — граница активных областей, залитых красными и оранжевыми оттенками, а темно-синий — граница корональных дыр, отмеченных голубыми цветами. То же схематично изображено в правой части рис.5.
Как видим, между активными областями и корональными дырами, согласно этому рисунку, лежит обширная зона, занимающая за редким исключением больше половины всей площади солнечной поверхности. Ни о каком «определении границ КД активными областями» не может быть и речи. Эта обширная зона — невозмущенное солнце — заслуживает определенного обсуждения.
Обратите внимание на зеленую линию, проходящую по ее территории, между границей CH и AR. Эта линия соответствует значению центральной интенсивности линии гелия (0.95) на вершине гистограммы спокойного солнца QS. Она отделяет два различные по свойствам класса невозмущенных областей. Чтобы выяснить их различие, обратимся к рис.6.
На рисунке приведены карты, полученные 3 и 4 августа 1989 г.
(вверху), и 30 и 31 числа того же месяца (внизу). Между этими наблюдениями Солнце успело сделать один оборот.
Внимательное рассмотрение карт за соседние дни показывает, что корональным дырам, как и активным областям, свойственна своя динамика. Форма и распределение интенсивности, хоть и не на много, но изменяются даже за сутки. Особенно бросается в глаза рост за 27 дней КД у северного полюса (вверху), ярко-голубой цвет здесь залил огромную площадь. О достоверности явления можно судить по картам, полученным в соседние дни.
Интересно, что расширение северной КД произошло, в основном, на территорию, ранее ограниченную вышеупомянутой зеленой линией, см.
также рис.5, справа. Складывается впечатление, что для своего расширения КД «предпочитает подготовленную почву», подобно тому, как река, имеющая где-нибудь заболоченный берег, при обильном поступлении воды вначале затопляет именно его. Такое развитие событий выглядит естественным («где тонко, там и рвется»), хотя, в общем случае, не является обязательным. Интересно отметить, что, несмотря на расширение границ КД, граница цепочки активных областей ближайшей, северной Королевской зоны осталась на месте, претерпев лишь некоторое изменение формы из-за диссипации одних пятен и рождения других. В правой части рисунка 4 это хорошо видно, как сужение области между КД и АО за счет перемещения границы КД.
Кроме названного свойства — возможности служить территорией расширения КД – эта область характеризуется низким поглощением в линии, приближающимся к поглощению в КД, но в отличие от нее обладает выраженной супергрануляционной структурой. Мы назвали такого типа области корональными просветами КП, имея в виду возможную морфологическую связь их с КД.
конфигурации, т.е. замыкаться на расстоянии rR!.
Рис.7. Генетическая связь морфем невозмущенного Солнца: а – спокойное Солнце, б – корональный просвет, возникающий в результате диссипации и ослабления супергрануляционного магнитного поля, в – корональная дыра, в которой «закрытая конфигурация» магнитного поля (когда lR!) превращается благодаря давлению солнечного ветра в «открытую» (l R!).
Генетическую связь спокойного солнца, коронального просвета и корональной дыры иллюстрирует рис. 7.
Выводы I. Наблюдение корональных дыр в рентгене и линиях высокоионизированных металлов создает проблему определения очертаний корональной дыры из-за трехмерности окружающих ее оптически плотных корональных образований. При наблюдении в линии He I 10830 эта проблема отсутствует.
II. Карты в линии гелия открывают возможность выработать объективный и легко алгоритмизируемый критерий идентификации границ КД.
III. По наблюдениям в линии гелия невозмущенные области солнечной атмосферы можно разделить на три класса: спокойное солнце, корональный просвет и корональная дыра. Первые два, СС и КП представляют обширную территорию, лежащую между активными областями и КД.
IV. КП отличается от СС пониженной, как у КД, абсорбцией в линии гелия, а от КД тем, что имеет, подобно СС, супергрануляционную структуру.
V. Все три типа невозмущенной атмосферы скорее всего представляют определенные стадии постепенного территориального или временного перехода от одного предельного состояния к другому (подобно, например, постепенному переходу от чистой воды к чистой суше у заболоченного озера).
Литература 1. Waldmeier M. The Sunspot Activity in the Years 1610-1960. Zurich, 1961.
2. d’Azambuja L. Ann. Obs. Meudon, 8, facs. II, 1930.
3. Hart A.B. Motions in the Sun at the Photospheric Level – VI. Large Scale Motions in the Equatorial Region, Mon. Not. Roy. Astron. Soc., 116, p. 38 55, 1956.
4. Leighton R.B., Noyes R.W., Simon G.W. Velocity Fields in the Solar Atmosphere, Pt. 1, Preliminary Rep. Astrophys. J., 135, p. 454-499, 1962.
5. Babcock H.W. Astrophysical Journal, v. 118, p. 387, 1953.
6. Wilcox J.V., Howard R. Solar Physics, 13, p. 251, 1970.
7. Makarov V.I.., Fatianov M.P., Sivaraman K.R. Solar Physics, 85, p. 215, 1983.
8. Макаров В.И., Тавастшерна К.С., Фатьянов М.П. Полярный дрейф магнитных нейтральных линий в 23 цикле активности Солнца. Труды конференции, посвященной 50-летию Горной Астрономической Станции ГАО РАН, Санкт-Петербург, 1998, с. 297-300.
9. Nolte J.T., Krieger A.S., Timothy A.F., Vaiana G.S., Zombeck M.V. An Atlas of Coronal Hole Boundary Positions May 28 to November 21, 1973.
Solar Physics 46, no. 2, p. 291-301, 1973.
10. Оль А.И. Солнечные данные, № 12, с. 84-85, 1966.
№ 12, стр. 87-89, 1976.
12. Юнг. Солнце, СПб., 1898.
Ap. J., 70, p. 265, 1929.
14. Lyot B. C. R. Acad. Sci., Paris, 197, p.1593, 1933.
15. Tousey R., Bartoe J.-D.F., Bohlin J.D., Brueckner G.E., Purcell J.D., Sherrer V.E., Sheeley N.R., Schumacher R.J., Vanhoosier M.E. A Preliminary Study of the Extreme Ultraviolet Spectroheliograms from Skylab, Solar Physics, 33, p. 265-280, 1973.
16. Livingston W.C., Harvey J.W., et al. Applied Optics, 15, no. 1, p. 40-52, 1976.
17. d’Azambuja d’Azambuja Bulletin astronomique, 11, p. 349, 18. Кандрашов Э.В., Никифоров В.Г. Карты населенности уровня 23s He I =10830 в хромосфере Солнца. Труды международной конференции «Солнечная активность и космические лучи после смены знака полярного магнитного поля Солнца», Пулково, Санкт-Петербург 17- июня 2002 г. с. 229-236.
19. Брейдо И.И. Фотографические шумы, отношение сигнал/шум и число градаций, передаваемых фотографическими материалами, Известия ГАО, № 177, с. 171-179, 1964.
20. Правдюк Л.М., Карпинский В.Н., Андрейко А.В. Амплитудное распределение яркости солнечной грануляции. Солнечные данные, № 2, с. 70-88, 1974.
21. Kaliniak A.A., Vassilieva G.J. Solar Physics, 16, no. 1, p. 37-39, 1971.
22. Кандрашов Э.В. Солнечные данные, № 1, с. 74-82, 1986.
23. Кандрашов Э.В. Солнечные данные, № 12, с. 80-89, 1987.
24. Кандрашов Э.В., Корепанов В.С. и др. Солнечные данные, № 6, с. 85 91, 1990.
25. Зуев А.Г., Кандрашов Э.В. и др. Солнечные данные, № 7, с. 82-88, 1990.
26. Goldberg L., Astrophysical Journal, 89, p. 673.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММУ ЧЕЛОВЕКА Кануников И.Е.1, Волкова М.А.1, Киселев Б.В. Санкт-Петербургский государственный университет, НИИ физиологии, igorkan@mail.ru Санкт-Петербургский государственный университет, НИИ физики THE INFLUENCE OF THE GEOPHYSICAL FIELDS FLUCTUATION ON THE HUMAN FUNCTIONAL STATE Kanounikov I.E.1,Volkova M.A.1, Kiselev B.V. Institute of physiology St.Petersburg State University igorkan@mail.ru Institute of Physics St.Petersburg State University Abstract The present investigation was made to study the influence of geomagnetic field fluctuation estimated by Ap index on the brain functional station. The longitude experiments with 16-channel electroencephalogram (EEG) registration were performed on four health subjects. EEG was recorded under three baseline conditions. The spatial synchronization EEG indexes were calculated. The indexes were calculated by the estimation of correlation coefficients between all sites pairs. EEG indexes were compared with the geomagnetic indexes in the experiment day and before one and two days (Ap, Ap-1, Ap-2, correspondingly).
It was shown some types of reaction. All subjects showed two-phase reaction – reduction of spatial EEG synchronization indexes in one areas and increase in another sites.
It is concluded that the nonspecific stress reaction is due to the described dynamic.
The reduction of spatial EEG synchronization reflects the drop of cortical tonus under geomagnetic perturbation and the increase reflects reaction of compensation in the form of increase of brain tonus.
Результаты многих наблюдений показывают, что нервная система человека, чувствительна к изменениям солнечной активности. Впервые на это обратил внимание А.Л. Чижевский , представив убедительный литературный материал о связи между солнечной активностью и частотой эпилептических припадков, смертности от заболеваний нервной системы, числом самоубийств. В дальнейшем были получены многочисленные подтверждения этого вывода. Показано, в частности, что во время повышенной солнечной активности наблюдается снижение скорости реакции, интенсивности внимания и объема кратковременной памяти, увеличивается вероятность принятия неверных решений . Возникает вполне очевидный вопрос, влияет ли геомагнитная активность на электроэнцефалограмму (ЭЭГ) человека, которая является основным объективным показателем деятельности головного мозга человека. К сожалению, работ подобного рода в литературе почти нет. С чем это связано? Во-первых, с необходимостью проведения специальных лонгитюдных (т.е. многодневных) экспериментов на одних и тех же людях.
Для поиска взаимосвязи между геомагнитной активностью и тем или иным заболеванием достаточно провести статистическую обработку имеющегося материала. В данном же случае необходимо специально проводить многодневные исследования, что требует немалые материальные затраты.
В известных нам нескольких работах по ЭЭГ исследовалась проблема цикличности ЭЭГ (10 Гц) и геомагнитных полей. Настоящее исследование проводилось специально в целях поиска влияния колебаний геомагнитного поля на электроэнцефалограмму человека.
Использовалась стандартная в электроэнцефалографии методика регистрации ЭЭГ. Регистрация ЭЭГ осуществлялась от 16 стандартных отведений в соответствии с международной системой регистрации ЭЭГ, называемой «10-20». Эта система устанавливает распределение электродов по поверхности головы над соответствующими мозговыми зонами.
Регистрация ЭЭГ осуществлялась монополярно относительно так называемого индифферентного электрода, в качестве которого использовался электрод, объединяющий мочки ушей. Запись ЭЭГ осуществлялась в трех фоновых ситуациях: две с открытыми глазами и одна с закрытыми глазами. Длительность каждой ситуации составляла около одной минуты. Вся электрофизиологическая информация с помощью аналого-цифрового преобразователя квантовалась с частотой отсчетов в секунду и вводилась в компьютер. После эксперимента все записи просматривались и из дальнейшего анализа удалялись участки, загрязненные помехами, связанными с движением, морганием глаз и тому подобными артефактами.
По электроэнцефалограмме мы определяли так называемую пространственную синхронизацию ЭЭГ, которой соответствовали коэффициенты корреляции между всеми парами отведений ЭЭГ. Эпоха анализа составляла около 60 секунд. Получалось 120 коэффициентов корреляции. Почему мы остановились именно на показателе пространственной синхронизации ЭЭГ, а не использовали, скажем, спектральную составляющую. Согласно литературным и нашим данным, этот показатель является весьма чувствительным индикатором тонуса коры головного мозга, причем с его помощью можно оценивать как локальную составляющую тонуса, характеризующую тонус той или иной области, так и глобальную, характеризующую тонус всей коры. Чем выше значения показателя, тем выше тонус и наоборот. На следующем этапе анализа проводилось сопоставление показателей синхронизации ЭЭГ с показателями геомагнитной активности. Поскольку наиболее прямым и традиционным критерием возмущенности геомагнитного поля считается так называемый индекс Ар, то использовался именно он.
Двенадцать обсерваторий на Земле (в средних широтах) непрерывно измеряют вектор напряженности магнитного поля, а именно его горизонтальную (Н) и вертикальную (Z) составляющие и склонение D – величину отклонения составляющей Н от северного направления. Эти компоненты претерпевают постоянные изменения различной периодичности. Каждые 3 часа обсерватории отмечают максимальное отклонение этих составляющих от среднестатистической нормы для данного района. Затем это отклонение оценивают по десятибальной шкале (0 – норма, 9 – наибольшее из зарегистрированных когда-либо отклонений). В данной работе использовали суточные индексы Ар, выведенные из данных всех 12 обсерваторий. Суточные индексы получены путем усреднения 8-ми трехчасовых индексов за данные сутки.
С помощью специально созданной базы данных у нас была возможность обрабатывать корреляционные данные разными способами, усреднять разные комбинации, делить на группы, вычислять корреляции с Ар-индексами.
Представленный здесь материал основан на сопоставлении ЭЭГ данных при различных значениях Ар-индекса.
симметричные левого и правого полушария и фронтально-затылочные правого полушария.
На рис.2 представлены данные трех других испытуемых, у которых число экспериментов было недостаточно, для аналогичного деления. В данном случае брались фоновые значения Ар и те дни, когда возмущения превышали фоновые значения. Как видно из рисунка, у всех троих Рис.1. Влияние возмущений геомагнитного поля (Ар) на показатель пространственной синхронизации электроэнцефалограммы у испытуемого «К».
В левой части рисунка представлены графики геомагнитной активности Ар, соответствующие трем группам дней, по которым осуществлялось сопоставление показателей синхронизации ЭЭГ со значениями, полученными в спокойные в геомагнитном отношении дни. Верхний график – геомагнитное возмущение (Ар) за два дня до регистрации ЭЭГ, средний график - за день до регистрации, нижний график – в день регистрации.
В правой части рисунка, в левом столбце линиями объединены те пары отведений, в которых пространственная синхронизация ЭЭГ падает, правый столбец соответствует возрастанию синхронизации ЭЭГ.
воздействие – 0.39, т.е. от 5% до 10%.
Вывод: геофизические возмущения отражаются в характеристиках пространственной синхронизации ЭЭГ. Предполагается, что эти воздействия сопровождаются изменениями, характерными для адаптивной стресс-реакции, при этом повышение тонуса отражает реакцию компенсации.
Рис.2. Влияние возмущений геомагнитного поля (Ар) на показатель пространственной синхронизации электроэнцефалограммы у трех испытуемых.
В левой части рисунка представлены графики геомагнитной активности Ар у трех испытуемых, по которым осуществлялось сопоставление показателей синхронизации ЭЭГ со значениями, полученными в спокойные в геомагнитном отношении дни.
Вопрос о природе детекторов этих полей остается самым сложным.
Обнаружение американским ученым Дж. Киршвингом с соавторами  магнитных кристаллов в мозжечке, среднем мозге и всех мозговых тканях, кроме коры, у приматов и, что особенно интересно, во всех тканях надпочечников у человека может быть интересным для понимания механизмов воздействия магнитных бурь на организм. Однако остается открытым вопрос о том, почему искусственные электромагнитные поля, которыми окружил себя человек и которые на много порядков интенсивнее естественных, не оказывают столь мощного воздействия на организм человека. Здесь напрашивается некоторая аналогия с логикой гомеопатии.
Исследование выполнено благодаря поддержке за счет гранта Минобразования E0212. Литература 1. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М. 1976.
2. Холодов Ю.А., Лебедева Н.Н. Реакции нервной системы человека на электромагнитные поля. М. 1992.
3. Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Под редакцией Дж. Киршвига, Д. Джонса, Б. Мак-Фаддена. Т.2. М. Мир.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля ИЗМЕНЕНИЯ ЯРКОСТИ И НЕРАДИАЛЬНОСТИ КОРОНАЛЬНЫХ ЛУЧЕЙ ПО ДАННЫМ SOHO/LASCO-C Ким Гун-Дер, Макаров В.И., Тлатов А.Г.
solar@narzan.com VARIATIONS BRIGHTNESS AND NONRADIAL DIRECTIONAL PROPERTY OF CORONAL RAYS SOHO/LASCO-C Kim Gun-Der, Makarov V.I., Tlatov A.G.
solar@narzan.com Abstract Based on analyzing corona images taken by the LASCO C2 instruments, a study is made of the behavior of the coronal rays in 1996-2003. It is executed measurement to brightness of corona within the range of heights 2.35.5R with shift 2o along limb. They are made latitude-time distribution to intensities of corona on different heights. Using daily maps of corona is organized the measurement angle of coronal rays and streamers from radial direction. Noted that at period 1996-1999.5 coronal streamers tilted mainly to equator. After 1999.5 streamer are mainly declined to poles.
Введение Появление в последние десятилетия новых телескопов-коронографов для регулярных измерений плотности электронной короны как наземного (Mark 3,4) так и спутникового (SOHO/EIT/LASCO) базирования позволяет детально изучить процессы образования солнечной короны. Эти данные существенно дополняют длительные ряды наблюдений короны в спектральных линиях, проводимые на внезатменных коронографах и эпизодические наблюдения “белой” короны во время полных затмений.
Разные виды наблюдений отражают различные механизмы формирования короны. Наблюдение внутренней короны в жестком ультрафиолетовом и рентгеновском телескопе позволяют выделить арочные структуре в короне над биполярными активными областями, распространяющимися до высот 1.1-1.2R, и области диффузионного свечения на высотах до 1.1R.
Диффузионная корона также проявляется в эпоху минимума активности и существует вне области корональных дыр над крупномасштабными магнитными полями с перемешанной полярностью. Наблюдения короны во время затмений и наблюдения белой короны на высотах до нескольких радиусов Солнца показывают наличие структур, имеющих повышенную плотность электронов в корональной плазме (K-корону). Их распределение значительно отличается от распределений спектральной короны. Так яркие корональные структуры присутствуют в эпоху минимума активности. В эпоху максимума активности наблюдается корона в околополярных областях. Такое поведение распределения плотности связывается с наличием гелиосферного токового или нейтрального слоя . Считается, что на высотах выше 2.5R к гелиосферному токовому слою прижимаются яркие корональные лучи и стримеры, образуя пояс корональных стримеров . В эпоху минимума активности гелиосферный токовый слой расположен в области солнечного экватора. С развитием цикла солнечной активности токовый слой имеет складчатый характер, заходя на высокие широты в северном и южном полушариях . Помимо активных областей, источником корональных конденсаций могут быть нейтральные линии крупномасштабного магнитного поля, трассируемые в хромосфере волокнами и протуберанцами. Крупномасштабное поле Солнца в хромосфере и нижней короне имеет зональное распределение, разделяя области, занятые различной полярностью магнитного поля. С развитием цикла активности нейтральные линии магнитного поля смещаются к полюсам, причем их можно рассматривать как пояса, существующие, независимо в различных полушариях Солнца. В данной работе ставилась задача рассмотреть поведение солнечной короны на высотах 2.5-5R, и определить условия формирования короны в и выявить основные источники формирования короны на этих высотах.
Обработка данных Исходными данными для обработки служили наблюдения на телескопе Lasco-С2, установленном на спутнике SOHO. Этот телескоп предназначен для регистрации электронной компоненты белой короны.
Диапазон регистрируемых высот составил от 2.3 до 5.5 R. Ежедневные данные в период с 05.1996 по 05.2003 были профотометированны на различных высотах с шагом по 2о по лимбовому углу. Использовались данные, представленные как в fits так и в gif формате. Общий результат, близкий по обоим видам данным, но более нагляден по данным gif формата, поскольку в нем применена логарифмическая шкала для яркости изображений. Результаты распределения яркости короны в зависимости от положения по лимбовому углу и времени приведены на рис.1. В период минимума активности корона на различных высотах выше 2.5R имеет наибольшую плотность вблизи экватора. С развитием активности ширина приэкваториального пояса короны растет, и в 1998 году образуется две ветви дрейфа яркой короны в направлении полюсов. Максимум яркости короны достигает в период 1999-2001 годов на средних и высоких широтах северного и южного полушарий.
Существует заметная асимметрия поведения короны в северном и южном полушариях. Корона северного полушария заметно ярче, что особенно наглядно проявляется на больших высотах. Период 1997- годов соответствует периоду дрейфа поясов волокон к полюсам в процессе переполюсовки магнитного поля. Обратная ветвь от высоких широт к экватору после завершения переполюсовки в 2001 году также проявляется, но на высотах менее 4.0R и имеет значительно меньшую интенсивность короны.
Корона имеет долготную неоднородность. На рис. 2 представлены сводные синоптические карты за 1999 год на высотах 2.5 и 4.0R. Активные долготы в северном и южном полушариях близки между собой, что не соответствует модели гелиосферного слоя .
Важной характеристикой структуры внешней короны является нерадиальность распространения корональных лучей и стримеров. Для измерения вариаций нерадиальности лучей с циклом солнечной активности в период 1996-2002 гг. на ежедневных изображениях короны по данным Lasco-C2 были нанесены направляющие центров стримеров корональных лучей. Среднее число выделяемых стримеров на одном изображении составляло около 20 в период минимума активности и 30- в периоды максимума солнечного цикла. По этим данным определялась нерадиальность направлений как угол между направляющей линией по центру коронального луча или стримера и радиальной линией, проведенной от центра Солнца, и касающейся направляющей на высотах ~2.3R. На рис.3a представлено широтно-временное распределение отклонения углов лучей от радиального направления для всех промеренных корональных структур. Число измерений в период 1996- гг. близко к ~80 тысячам, и основное число представляют корональные стримеры. Можно выделить, два основных периода, связанных с развитием солнечного цикла. До периода ~1999.5 года стримеры в обоих полушариях направлены к экватору. Это соответствует модели, предложенной Zhao, в которой стримеры имеют нерадиальное направление и отклоняются в период минимума активности к плоскому гелиосферному токовому слою под действием магнитного поля полярных корональных дыр. После 1995.5 года стримеры как в северном, так и южном полушариях разворачиваются в сторону полюсов. Максимум отклонений лучей к полюсам наблюдается в период 2000-2001 гг., т.е. в эпоху переполюсовки высокоширотных областей на Солнце. С другой стороны, в работе  в результате промера отдельных ярких корональных лучей показано, что нерадиальность корональных лучей не изменяется с фазой цикла, а носит только широтный характер. Причем лучи с широтой до 60о отклоняются в основном к экватору, а на больших широтах отклонены к полюсу. Для проверки этой гипотезы нами было построено распределение только для ярких корональных структур, приведенное на рис.3b. Оказалось, что также как и стримеры, направление ярких корональных структур меняется с фазой цикла и после периода 1999.5 лучи Рис.1. Распределения плотности короны по данным Lasco-C2 на высотах 2.5R, 4R, 5R в зависимости от лимбового угла и времени. Данные были сглажены на интервале 0. года.
на всех широтах отклонены к полюсам. Существует некоторое различие между углами наклона стримеров на восточном и западном лимбах.
Обсуждение Таким образом, проведенный анализ показал, что модель распределения внешней короны в представлении о гелиосферном токовом слое, притягивающим корональные стримеры, имеющие источники на фотосфере на средних широтах, не совсем адекватно описывает реальное распределение яркости короны. Так существует асимметрия распределения яркости короны до переполюсовки магнитного поля и после нее. Вероятно, это обусловлено наличием дрейфа волокон и нейтральных линий к полюсам, над которыми существует корональные конденсации, формирующие яркие корональные структуры на расстояниях 4R и выше.
Роль корональных стримеров лучше проявляется на низких высотах 1.5 2.5R , где яркость короны имеет ветви дрейфа от высоких широт к экватору. Долготная неоднородность не имеет ярко выраженного Рис.2. Сводная синоптическая карта для оборотов 1944-1957 (1999 г.) распределения яркости короны на высотах 2.5R и 4.0R.
характера, как это требует модельное представление о гелиосферном токовом слое [2,5]. С другой стороны в подтверждение применимости модели гелиосферного слоя служит наличие ветви дрейфа от высоких широт к экватору после завершения переполюсовки магнитного поля.
Также при просмотре серии последовательных изображений Lasco-C можно заметить, что яркие лучи ото дня ко дню поворачиваются на некий угол по или против часовой стрелки, что и должно быть, если лучи расположены вдоль изогнутого гелиосферного слоя. Эти факты указывает на то, что модель гигантских петель над нейтральными линиями  также неадекватно описывает распределение корональных структур. Полярное магнитное поле значительно влияет на направление корональных лучей.
Причем существенной разницы между отклонением ярких корональных лучей и стримеров не существует. Возможно, отклонение лучей, тесно связано с геоэффективностью солнечной гелиосферы на возмущения магнитного поля Земли.
Таким образом, в настоящее время становится актуальной задачей создания приемлемой модели формирования короны на высотах выше 1.5R. В этой модели должно быть представлено описание источников короны как от активных областей, так и над нейтральными линиями, и учтена нерадиальность лучей, меняющаяся с фазой солнечного цикла.
b) только ярких лучей. Области значений отрицательных (направленных к полюсу углов) залиты сплошным серым цветом.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ N 03-02-16091 и 02-02-16035.
Литература 1. Тлатов А.Г., Макаров В.И. 2002, в сб. Солнечная активн. и косм. лучи., ред. В.И. Макаров, В.Н. Обридко, С.-Петербург, с.531.
2. Hoeksema J.T. //Structure and evolution of the large scale solar and heliospheric magnetic fields. Ph. D. Diss. Stahford Univ., 1984.
3. Bohlin J. David,: 1970, Solar corona streamer, Solar Phys. 12, 240.
Sheeley, N. R., Jr. 1992, ApJ, v.392. p.310.
5. Zhao, X., Hoeksema, J. T. 1995. Advances in Space Research, v. 16, p. 181.
6. Benevolenskaya E.A., Kosovichev A.G., Sherer P.H., 2001, Ap.J., 554, 107L.
Eselevich, M.V. 2002, Solar Physics, v. 208, p. 5.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля СТАТИСТИЧЕСКИЙ R/S-АНАЛИЗ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ Киселев Б.В.1, Волобуев Д.М. НИИ физики СПбГУ, Санкт-Петербург, Россия ГАО РАН, Санкт-Петербург, Россия STATISTICAL R/S-ANALYSIS OF SOLAR AND GEOMAGNETIC ACTIVITY Kiselev B.V.1, Volobuev D.M. Institute of physics SpBSU, Saint-Petersburg, Russia GAO RAN, Saint-Petersburg, Russia Abstract The Hurst exponent for the Wolf numbers, aa-index of geomagnetic activity and meteo data calculated.
Comparison of graphs log(R S ) versus log( ) provides a more information on the processes under consideration. So, the graphs for monthly Wolf numbers and those for aa index are identical at time scales more than 8 years, and differs at time intervals 2..8 years.
В настоящее время наблюдается значительное повышение интереса как к чисто теоретическим и модельным исследованиям хаотических процессов, так и к приложениям разработанного математического формализма и терминологии к различного рода физическим процессам и явлениям. Все длинные временные ряды (часто индексы), накопленные в солнечной физике, геофизике, метеорологии, климатологии, весьма сложны с точки зрения физики, определяющей данные процессы и, соответственно, с точки зрения их предсказания, или определения степени взаимосвязанности тех или иных процессов. Детальное моделирование физических процессов, имеющих на выходе сравнительно простой временной ряд, требует как развития громоздкого математического аппарата, так и огромных вычислительных мощностей.
и «хаотическую» природу шума и т.п.
Помимо основополагающей работы Г. Харста в развитии теории R S -анализа, его методологии и применении, значительную роль сыграли работы Б. Мандельброта . Содержательный разбор статистического R S -анализа и его возможностей можно найти в монографии A. Ширяева [3,] где показана тесная связь R S -анализа (т. н. показателя Харста) с такими вероятностно-статистическими понятиями, как устойчивые распределения, полет Леви и фрактальное броуновское движение. Следует отметить монографию Федера .
В 1951 году британский климатолог Г. Харст (Harold Edwin Hurst), проведший более шестидесяти лет в Египте, участвуя в гидрогеологических проектах, связанных с Нилом, опубликовал работу, в которой излагался (экспериментально им обнаруженный) неожиданный эффект в поведении флуктуаций годичной водности Нила и ряда других рек. Суть этого эффекта в следующем.
Пусть x1,..., xn — величины годичных уровней (скажем, Нила в некоторой его части) за n последних лет. «Хорошей» оценкой их среднего n X n = xk. Отклонение значения будет величина X n, где за k Xk x k = последовательных лет от среднего (эмпирического) значения, подсчитанного по данным за n лет, есть величина k Xn, Xk n и, следовательно, минимальным и максимальным отклонениями являются величины k k и max X k X n.
min X k X n n n k n k n Обозначим k k Rn = max X k X n min X k X n — n n k n k n величину «размаха», характеризующую степень отклонения кумулятивных k величин X k от их среднего значения X n за последовательные n лет.
n В своей экспериментальной практике Г. Харст, на самом деле, оперировал не с величинами Rn, а с нормированными величинами Qn = Rn S n, где S n — эмпирическое стандартное отклонение — 1 n 2 1 n x k n xk, Sn = n k =1 k = вводимое с целью получения статистики, инвариантной относительно замены xk c(xk + m ), k 1, что является желательным свойством, поскольку даже среднее значение и дисперсия величин xk, как правило, остаются неизвестными.
Основываясь на большом фактическом материале наблюдений за стоками Нила в период 622—1469 гг. (т.е., за 847 лет), Г. Харст обнаружил, что для больших значений n статистика Rn S n ~ cn, где c — некоторая константа, эквивалентность «~» понимается в некотором подходящем смысле, а параметр H, называемый теперь «показателем Харста», оказался примерно равен 0,7.
Для оценки величины показателя H обычно анализируется зависимость отношения R S от длины «элементарного» участка ряда L.
Исходным материалом для такого анализа служит таблица отношения R S при разных L. Для оценки величины отношения при заданном L исходный ряд Yt, t = 1..N делится на участки по L точек каждый. Для каждого участка оценивается стандартное отклонение S и «размах» R.
Когда L N, количество «элементарных» участков может быть довольно большим, что позволяет не только оценить среднее по всем участкам значение R S при заданном L, но и найти его погрешность.
Корреляция отрицательна, сильная перемежаемость последовательных значений, антинастойчивость (antipersistentce).
Иначе говоря, в каждый момент времени n система «помнит», что если значение X n оказалось больше X n1, то в следующий момент 0 H 0, времени значение X n+1 должно быть с большей долей вероятности меньше X n. И при H 0 вероятность такого события увеличивается.
Белый шум, гауссова последовательность независимых нормально H = 0,5 распределенных величин. Корреляция отсутствует. Процесс с нулевой памятью.
Корреляция положительна. Сильная память. Сильное последействие.
Тенденция следовать по направлению тренда (persistence). Иными 0,5 H 1 словами, при H 1 вероятность того, что за значением X n последует значение X n X n1 и X n+1 X n.
Идеальная настойчивость. Гладкая функция, имеющая хотя бы одну H=1 производную.
Статистика Леви. Процессы с фрактальным временем. Временные H1 точки разрыва производной. Сильные тренды.
числа Вольфа aa-индекс осадки в Индии температура пов-ти океана отклонение температуры аттрактор Лоренца Рис. 1.
Проведен расчет показателя Харста для чисел Вольфа и аа-индекса, как наиболее длинных рядов характеризующих солнечную и геомагнитную активности, а также для ряда температуры поверхности океана и величины осадков в Индии с 1868 г. ( http://paos.colorado.edu ), рис. 1.
Сопоставление графиков R S (aa-индекса и чисел Вольфа) позволило выявить особенности в динамике индексов. Оказалось, что на маштабах более 8 лет (собственно солнечный цикл) наблюдается синхронное изменение величины R S, в тоже время на маштабах от 2 до 8 лет графики расходятся, хотя величина показателя одинакова в пределах точности (0,928 для чисел Вольфа, 0,918 для аа-индекса). Подобные оценки величины H соответствуют фрактальному броуновскому движению.
Интересно, что R S графики для температуры поверхности океана ( H = 0,69 ) и аа-индекс имеют идентичное поведение на масштабах от 2 до лет. На маштабах более 8 лет H = 0,28 для температуры, что может говорить о сильной перемежаемости и хаотическом поведении. Заметим, что классические хаотические отображения типа Хенона, Логистического имеют H порядка 0,3. Если мы обратимся к R S -графику для отклонения температуры ( H = 0,77 ) и сравним его с графиком для чисел Вольфа, то увидим идентичность на маштабе меньше 8 лет, а с графиком для aa индекса — расхождение. На маштаба более 8 лет оба метеоряда имеют статистику, отличную от статистики чисел Вольфа и aa-индекса.
примерно такого же порядка значение ( H = 0,14..0,18 ) принимает на масштабах более 40 лет.
на рисунке также показаны распределения для отображения Хенона, аттрактора Лоренца и нормальное распределение. Можно говорить, что вид распределений подтверждает выводы, которые можно сделать при анализе R S -графиков.
Деиствительно, распределения для чисел Вольфа и aa-индекса ассиметричны и справа имеют так называемые «тяжелые» хвосты, т.е.
более вытянутые по сравнению с нормальными распределениями, что характерно для фрактального броуновского движения и полета Леви. При этом показатель Харста порядка 0,9 и в случае полета Леви может привышать 1. Вид распределения для темпратуры поверхности океана подобен распределению для атрактора Лоренца при значения H порядка 0,7—0,75. Распределение для осадков с точностью до зеркального изображения подобно распределению для отображения Хенона при H порядка 0,3—0,4.
числа Вольфа aa-индекс осадки в Индии температура пов-ти океана отклонение температуры аттрактор Лоренца слева: распределение Гаусса справа: отображение Хенона Рис. 3.
Выводы В результате применения статистического R S -анализа (показатель Харста) для исследования связных процессов солнечной и геомагнитной активностей, метеопараметров удалось найти сходство и различие в их динамике, определить морфологические признаки, указывающие на возможность хаотического поведения.
Особенно интересен результат в различии R S -статистик чисел Вольфа и aa-индекса на масштабах 2—8 лет.
Литература 1. Hurst H. Transactions of american society of civil engineers, 1951, v. 116, p.
2. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы, М., 2002.
3. Ширяев А. Н. Основы стохастической финансовой математики, 1998.
4. Федер Е. Фракталы. М., Мир, 1991.
Работа поддержана грантом РФФИ 02-05-64441.
Труды международной конференции, ГАО РАН, Пулково, 7-11 июля ON THE MAIN PHASES OF THE SOLAR CYCLE ON THE SUN AND IN THE HELIOSPHERE Krainev M.B.
Lebedev Physical Institute, RAS, Leninsky Prospect, 53, Moscow, Russia, krainev@fian.fiandns.mipt.ru Abstract The utility and problems of the division of the solar cycle in the modulation of the galactic cosmic ray intensity into the main phases – the minimum, ascending, maximum and descending - are considered. The role of the very local interstellar medium in the Earth environment is briefly discussed.
Introduction If we define 'heliosphere' as a space surrounding the Sun with the plasma and magnetic field originated on the Sun and controlled by it, this definition implies that in different heliospheric characteristics one can see variations inherent in the surface layers of the Sun. In particular, the main solar variation in the sunspot number, magnetic flux and so on, known as the 11-year cycle or, simply, solar cycle (SC), is reflected in many heliospheric characteristics. We are interested in isolating the extreme phases (minima and maxima) of the solar cycle in the galactic cosmic ray (GCR) intensity modulation in order to consider both the main long-term variations of the GCR and some specific for these phases GCR effects.
In this paper we, first, consider the solar cycle variations in the heliosphere and show that the GCR intensity modulation is one of the parameters which solar cycle reminds that of the sunspot number in the most degree. So in search of the workable SC phases classification for the GCR intensity modulation we should look at the known classifications for solar activity and we discuss some classification as an initial point. Then some questions concerning the above SC main phases for the GCR intensity modulation are outlined and briefly discussed. In the end in compliance with the climatic and ecological aspects of the conference we briefly remind the general views about the heliospheric surroundings and what would be if the Sun were slightly off its place in the Galaxy.

References: V.

 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 
 V. 

V. 
 v. 
 v. 
 v. 
 v.