Моделирование солнечной магнитной активности

Солнечная активность проявляется в генерации сильных магнитных полей на Солнце и оказывает большое влияние на Землю и Солнечную систему в целом, состояние околоземного космического пространства и земной атмосферы, биологические, химические и другие процессы. Исследование и прогноз солнечной активности становятся особенно актуальными в связи с развитием космических технологий, спутниковых коммуникационных систем и освоением космического пространства, и находятся в центре целевых национальных и международных программ.

В настоящее время накоплен большой наблюдательный материал, полученный как на российских космических и наземных обсерваториях (серия аппаратов КОРОНАС, ИНТЕРБОЛ и др.) так и зарубежных (SOHO, SDO, ACE, Hinode), который позволяет установить взаимосвязи активности на Солнце с земными явлениями и, в целом, с космической погодой. Для понимания фундаментальных физических процессов, лежащих в основе магнитной активности Солнца, их влияния на Землю, а также их прогноза, становится актуальной задача развития методов моделирования этих процессов.

Для того, чтобы выявить основные причины возникновения тех или иных наблюдательных явлений, желательно построить с одной стороны реалистичные, а другой не слишком сложные для исследования модели, которые бы позволяли найти решение поставленных задач.

Начиная с работы Паркера в 1955 году дальнейшее развитие моделей, описывающих эволюцию магнитного поля, позволило объяснить различные структуры пространственного распределения магнитной активности Солнца. В настоящее время процесс генерации магнитного поля в звездах и планетах связывают с работой механизма динамо — с аналогом работы динамо машины. Однако, осталось много явлений, которые существующие модели объяснить не могут.

Например, до недавнего времени было не ясно, как учитывать в различных моделях динамо крупномасштабные потоки вещества в конвективной зоне звезды.

Автором впервые аналитически исследован процесс генерации магнитного поля в рамках линейной однослойной и двухслойной моделей динамо Паркера с учетом меридиональных потоков. Разработан и применен асимптотический метод, который является развитием асимптотического метода ВКБ в квантовой механики. С математической точки зрения получены новые важные свойства перехода между различными асимптотическими режимами, что является новым направлением в развитии математических методов. Полученное решение дополняет уже известные асимптотики и расширяет класс решений на более общий случай. Разработанный метод построения решения представляет интерес и для других важных разделов теории динамо (например, галактическое динамо и геодинамо), где тоже приходится учитывать влияние адвективных потоков, не сводящихся к дифференциальному вращению. Для рассматриваемой модели впервые были получены подтвержденные наблюдениями оценки диапазонов значений меридиональной циркуляции и коэффициентов турбулентной диффузии, при которых модель дает длительность цикла 22 года, а также получены режимы, при которых может возникнуть длительный минимум солнечной активности.

На основании результатов, полученных автором, впервые были даны прогнозы об эволюции магнитной и токовой спиральности, которые согласуются с наблюдательными данными.

Впервые показано, что уравнения солнечного динамо имеют решения, для которых поведение полоидального магнитного поля воспроизводит результаты наблюдений. Особенно хорошее согласие наблюдается при учете меридиональных потоков.

Наблюдения показали, что кроме волн магнитного поля, распространяющихся от полюсов к экватору, существуют волны, бегущие к полюсам. Автором впервые исследована эволюция таких волн вблизи солнечных полюсов с учетом меридиональных потоков. Построено асимптотическое решение уравнений генерации магнитного поля. Показано, в каких случаях меридиональная циркуляция приводит к существованию бегущих к полюсам и отраженных от них волн магнитного поля, а в каких приводит к суперпозиции стоячих волн.

Таким образом, учет меридиональной циркуляции в однослойной и двухслойной моделях динамо позволил получить важные аналитические и численные результаты, согласующиеся с наблюдательными данными, и актуальные для предсказания космической погоды.

В последние годы появляется все больше наблюдательных данных, согласно которым циклическая магнитная активность Солнца содержит не только 22-летний ярко выраженный цикл, но и более короткие. Различные исследовательские группы выделяют 1–2.5 летние вариации магнитного поля. Остается неясным вопрос, как связано наличие коротких циклов на фоне более длинного с теорией динамо.

Остается не ясным, почему одни звезды имеют четко выраженную периодичность магнитной активности, а другие нет. По какой причине может наблюдаться одновременное присутствие циклов разного периода, как, например, на Солнце. Кроме этого, интерес представляет нахождение связи между конфигурацией магнитного поля (дипольная или квадрупольная симметрии) и характером циклов.

Для исследования возможных причин смены режимов магнитной активности звезд автором были построены и исследованы динамические системы, основанные на уравнениях нелинейного процесса динамо. Впервые показано, что в случае дипольной симметрии магнитного поля меридиональные потоки способны регулировать режимы генерации магнитного поля. Полученные широтно-временные распределения тороидальной и полоидальной компонент магнитного поля в случае стационарных осцилляций в целом воспроизводят наблюдательные широко-известные диаграммы для солнечных пятен и широтно-временное распределение для полоидального поля, полученное по наблюдениям.

Автором впервые проведено построение динамической системы для нелинейного динамо в случае квадрупольной симметрии тороидального поля и найдена зависимость режимов генерации магнитного поля от физических факторов конвективной зоны Солнца. Предложена гипотеза, что режим с ненулевым стационарным полем может приводить к долгоживущим образованиям на поверхности звезды. Таким образом, согласно полученной модели, разнообразие активности звезд реализуется за счет отличия различных параметров звезд.

Источники генерации магнитного поля могут находиться на разной глубине конвективной зоны и действовать с разной интенсивностью. На основе такой схемы автором построена динамическая система в случае нелинейного звездного динамо в двухслойной среде с учетом меридиональных потоков для моделирования двойного цикла, который соответствует одновременному присутствию 22-летних и квазидвухлетних осцилляций магнитного поля.

Впервые показано, что режим двойного цикла может возникать за счет того, что в верхнем слое конвективной зоны движение волны магнитного поля противоположно меридиональным потокам. Это ведет к торможению распространения тороидального поля и генерации медленных осцилляций. В более глубоких слоях направления распространения динамо-волны и меридиональных потоков совпадают, в результате чего возникают быстрые осцилляции магнитного поля. За счет этого суммарный вклад двух осцилляций с разными частотами соответствует появлению квазидвухлетних циклов на фоне 22-летних. В случае, если меридиональные потоки менее интенсивные, то может реализовываться тройной цикл за счет режимов с двумя гармониками в каждом слое и биений.

Автором впервые был предложен механизм, объясняющий сложное поведение фонового магнитного поля в солнечных магнитных циклах, подтвержденный наблюдательными данными. На основе двухслойной модели динамо с меридиональной циркуляцией для двухслойной среды впервые качественно воспроизведены основные черты широтных распределений старших мод фонового магнитного поля, полученных для циклов 21-23. Показано, такие волны могут иметь не только дипольную, но и квадрупольную структуру.

Описанные задачи направлены на решение проблем космического магнетизма. Полученные результаты позволяют понять физические свойства механизма динамо и это значительно облегчает задачу интерпретации данных многочисленных наблюдений магнитного поля на Солнце.

Результаты можно использовать при описании и долгосрочном прогнозе солнечных циклов, для уточнения наблюдательных данных о внутреннем строении Солнца, при объяснении магнитной активности звезд и галактик.

В настоящее время автор сотрудничает с различными международными научными группами и приглашает студентов писать курсовые и дипломные работы. При написании дипломов и курсовых возможно непосредственное сотрудничество как с российскими, так и c западными наблюдателями и теоретиками по теме космического магнетизма.

снс кафедры математики Е. П. Попова