Диссертация (Магнитное поле солнца по геомагнитным данным)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиУДК 523.9ВОХМЯНИН МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧМАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛНЦА ПО ГЕОМАГНИТНЫМ ДАННЫМспециальность 01.03.03 —физика СолнцаДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук, доцентД. И. ПонявинСанкт-Петербург – 2014ОглавлениеВведение .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Обзор основных понятий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.1 Магнитное поле Солнца . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.2 Геомагнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91.3 Эффект Свальгарда-Мансурова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Геомагнитные данные . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1 Обзор геомагнитных данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Геомагнитные наблюдения в 19-м веке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.1Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2.2Доступность данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.3Корректировка абсолютных значений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.4Корректировка времени . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3 Индексы геомагнитной активности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 Описание метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.1 Распределение интенсивности эффекта . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2 Весовые коэффициенты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.3 Расчёт фоновых вариаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4 Вычисление значений полярности . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.5 Корректировка результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 Проверка результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 624.1 Определение полярности по спутниковым данным . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.2 Оценка точности метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3 Проверка восстановленной полярности в 19-м веке . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 754.4 Геомагнитная активность и секторная структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.5 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815 Анализ секторной структуры ММП . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1 Периодичность вращения секторных границ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.1.1Обзор исследований периодичности солнечных данных . . . . . . . . . . . 8325.1.2Исследование периодов восстановленной секторной структуры . . . . . . . 855.1.3Развитие секторной структуры в течение цикла активности . . . . . . . . .

915.2 Эффект Розенберга-Коулмана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.3 Геоэффективные секторные границы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . 110Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Список рисунков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 124A Секторная структура ММП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253ВведениеДиссертация посвящена реконструкции секторной структуры межпланетного магнитного поля, основанной на анализе вариаций геомагнитного поля в доспутниковый период, а также исследованию полученных результатов.С началом первых спутниковых наблюдений в начале 1960-х годов произошел значительныйпрорыв в понимании физических процессов, происходящих в околоземном космическом пространстве. В частности был обнаружен предсказанный Юджином Паркером [1] солнечный ветер— поток заряженных частиц, исходящий из верхних слоев солнечной атмосферы и переносящий солнечное магнитное поле — межпланетное магнитное поле (ММП). Крупномасштабноемагнитное поле Солнца определяет полярность ММП — направление вдоль силовых линий кСолнцу (отрицательная полярность) или от него (положительная). В плоскости эклиптики ММПобразует секторную структуру — чередование периодов ММП противоположной полярности [2].Свальгард и Мансуров обнаружили, что в зависимости от полярности ММП наблюдаются разные типы вариаций геомагнитного поля на высокоширотных магнитных станциях [3, 4].

Анализируя эти вариации, можно определить полярность ММП даже тогда, когда прямые измеренияММП недоступны — то есть в доспутниковый период. Это позволяет значительно расширитьвременной интервал для исследований свойств и закономерностей межпланетного магнитногополя и его источника — крупномасштабного магнитного поля Солнца. Актульность этой задачиобусловлена сравнительно небольшим периодом спутниковых измерений — около пятидесятилет, что по времени составляет порядка пяти циклов солнечной активности или чуть большедвух магнитных циклов Хэйла.Целью данной работы является исследование межпланетного магнитного поля, главным образом за длительный период времени, когда спутниковые измерения были недоступны. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:• Разработать метод, позволяющий по вариациям геомагнитного поля с достаточно высокойточностью восстанавливать секторную структуру межпланетного магнитного поля.• Оценить точность метода, сравнив его результаты со спутниковыми данными, и проверитьих достоверность в доспутниковый период.• Исследовать свойства реконструированной секторной структуры межпланетного магнитного поля в прошлом.4Научная новизна работы:• впервые показано, что полярность межпланетного магнитного поля можно восстанавливать, анализируя вариации геомагнитного поля на среднеширотных станциях;• впервые реконструирована секторная структура межпланетного магнитного поля вплотьдо 1844-го года;• впервые показано, что, по крайней мере с 9-го цикла солнечной активности, переполюсовка магнитного поля Солнца действительно происходила;• впервые показано, что даты большинства сильнейших геомагнитных бурь приходятся напериоды смены полярности сектора межпланетного магнитного поля.Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что полученныйкаталог полярностей ММП даёт информацию о магнитном поле Солнца и о ММП для периодов, когда отсутствовали не только спутниковые измерения, но даже не было представления оналичии у Солнца магнитного поля.

Таким образом, восстановленная за 1844–1964 гг. секторнаяструктура ММП является значительным дополнением к уже имеющимся данным о магнитномполе Солнца и может быть использована в широком спектре задач по исследованию физикиСолнца.Достоверность результатов:Сравнение восстановленной полярности ММП с данными спутниковых измерений показало высокую точность результатов метода для любого периода года и даже при использованиигеомагнитных данных среднеширотных станций.

В работе показано, что ни низкий, ни высокий уровни геомагнитной активности не приводят к избыточному определению той или инойполярности ММП. Результаты, полученные с использованием геомагнитных данных различныхстанций, хорошо согласуются между собой, что подтверждает высокую степень их достоверности.Основные положения, выносимые на защиту:• оцифрованы и приведены к современному стандарту измерения геомагнитного поля вСанкт-Петербурге в 19-м веке, также скорректированы геомагнитные данные Хельсинкии Екатеринбурга;• разработан новый метод, позволяющий с высокой точностью восстановливать полярностьмежпланетного магнитного поля даже по данным среднеширотных станций, с помощьюкоторого удалось реконструировать секторную структуру ММП вплоть до 1844-го года;5• показано на большом статистическом материале отсутствие у секторной структуры ММПустойчивых периодов вращения; чаще всего наблюдается 27-дневная периодичность ММПи двухсекторная структура; периоды вращения порядка 28–29 дней наиболее характерныдля фазы роста и максимума солнечной активности; четырёхсекторная структура ММПимеет период ∼27 дней и наблюдается гораздо реже, в основном на фазе спада и минимумаактивности;• показано, что начиная с 9-го цикла солнечной активности, переполюсовка магнитного по-ля Солнца действительно происходила с известным периодом магнитного цикла Хэйлапорядка 22 лет;• продемонстрировано, что большинство самых сильных за всю историю магнитных наблюдений геомагнитных бурь совпадает с периодом смены полярности секторов ММП, причёмдля бурь вблизи весеннего равноденствия чаще наблюдается смена полярности ММП с положительной на отрицательную, а для бурь в осенние месяцы — наоборот.Апробация работы.