АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2019, том 96, № 2, с. 172-176
УДК 523.9-466, 523.62-726
ГЛОБАЛЬНАЯ СТРУКТУРА СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
НА ФАЗЕ СПАДА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПО ДАННЫМ
МОНИТОРИНГА МЕЖПЛАНЕТНЫХ МЕРЦАНИЙ
©2019 г. И. В. Чашей1*, С. А. Тюльбашев1**, И. А. Субаев1, В. А. Извекова1
1Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН,
Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН, Пущино, Россия
Поступила в редакцию 01.08.2018 г.; принята в печать 13.09.2018 г.
Приведены результаты анализа данных трехлетней серии мониторинга межпланетных мерцаний в
2015-2017 гг. на фазе спада солнечной активности. Наблюдения выполнены на радиотелескопе БСА
ФИАН на частоте 111 МГц. Показано, что в течение рассматриваемого периода пространственное
распределение уровня мерцаний в среднем было близко к сферически симметричному и не испытывало
сильных временных вариаций на месячных и годовых интервалах. Среднемесячные значения уровня
мерцаний не коррелируют с числами Вольфа.
DOI: 10.1134/S0004629919020026
Наблюдения межпланетных мерцаний в Пу-
ных приведены в работах [3-5]. Было, в частности,
щинской радиоастрономической обсерватории
показано, что в период аномально глубокого мини-
АКЦ ФИАН были начаты сразу после их обна-
мума активности в 2007-2009 гг. доминирующий
ружения [1]. В результате первых наблюдений,
вклад в мерцания на всех элонгациях вносила
сначала на радиотелескопе ДКР 1000 ФИАН и
связанная с гелиосферным токовым слоем низко-
выносных радиотелескопах, а затем на радио-
широтная область солнечного ветра.
телескопе БСА ФИАН, была определена ско-
В 2012 г. проведена модернизация радиотеле-
рость солнечного ветра, исследованы глобальная
структура межпланетной плазмы и ее динамика
скопа БСА ФИАН, в результате которой повыше-
на чувствительность радиотелескопа, а количество
в цикле солнечной активности [2]. В частности,
было показано, что наиболее сильные циклические
лучей увеличено до 96 с перекрытием полосы скло-
изменения происходят на средних и высоких
нений в 50◦, все лучи снабжены цифровыми при-
гелиоширотах, тогда как изменения в приэквато-
емниками. С апреля 2013 г. мониторинг межпла-
риальных областях сравнительно невелики [2]. В
нетных мерцаний ведется на новой 96-лучевой диа-
обзоре [2] подробно изложены результаты первых
грамме, количество мерцающих источников, на-
наблюдений и методика определения параметров
блюдаемых в течение суток, в настоящее время до-
турбулентной плазмы по измерениям межпланет-
стигает 5000 [5]. Эволюция глобальной структуры
ных мерцаний.
солнечного ветра по наблюдениям межпланетных
мерцаний индивидуальных источников на часто-
Начиная с 2006 г., наблюдения межпланет-
те 327 МГц для предыдущих циклов солнечной
ных мерцаний проводятся на радиотелескопе БСА
активности исследовалась в работах [6, 7]. Ре-
ФИАН в режиме мониторинга. В 2006-2011 гг.
зультаты мониторинга межпланетных мерцаний на
на фазе спада солнечной активности и в период
радиотелескопе БСА ФИАН в максимуме 24 цикла
вблизи минимума 23/24 цикла мониторинг меж-
активности для периода 2013-2014 гг. приведены в
планетных мерцаний проводился с использованием
работе [8]. В частности, было показано, что вблизи
16-лучевой диаграммы телескопа, перекрывающей
максимума 24 цикла глобальная структура распре-
полоску неба шириной 8◦ по склонениям. В дан-
деления турбулентного солнечного ветра в среднем
ной конфигурации в течение суток наблюдалось
была близка к сферически симметричной [8]. В
несколько сотен мерцающих источников. Резуль-
настоящей работе представлены результаты трех-
таты этих наблюдений и методика обработки дан-
летней серии мониторинга межпланетных мерца-
*E-mail: chashei@prao.ru
ний, проведенной с 2015 по 2017 г. на фазе спада
**E-mail: serg@prao.ru
24 цикла солнечной активности.
172
ГЛОБАЛЬНАЯ СТРУКТУРА СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
173
1. НАБЛЮДЕНИЯ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
пропорционально среднему по данной площадке
индексу мерцаний,
Мониторинг межпланетных мерцаний прово-
дится на радиотелескопе БСА ФИАН с рабочей
M ∼ 〈m2〉.
(6)
частотой 111 МГц, ширина полосы 400 кГц. С
Ниже измеренные величины M будут использо-
частотой съема информации 0.1 с круглосуточно
ваться как основной параметр, характеризующий
записываются флуктуации плотности потока из-
уровень мерцаний. В наших наблюдениях значе-
лучения всех радиоисточников, попадающих в 96-
ния M заключены в пределах от 0.1 < M < 1.5.
лучевую диаграмму направленности радиотелеско-
По вычисленным значениям M строятся суточные
па, которая перекрывает область склонений от -8◦
карты распределения уровня мерцаний. Как пока-
до +42◦. В течение суток регистрируются мерцания
зано в работе [9], индекс мерцаний m пропорци-
около 5000 компактных источников. Одним из ос-
онален средней плотности плазмы в направлении
новных параметров, описывающих мерцания, яв-
на данный источник. Поэтому карты уровня мер-
ляется индекс мерцаний m, который определяется
цаний отражают пространственное распределение
как
средней концентрации плазмы солнечного ветра.
〈δI2〉
m2 =
,
(1)
Сравнение суточных карт для последовательных
〈I〉2
дней позволяет проследить динамику простран-
ственного распределения турбулентного солнечно-
где δI — флуктуации интенсивности, 〈I〉 — сред-
го ветра на временных масштабах порядка су-
няя интенсивность источника. Индекс мерцаний
ток и может быть использовано для детектирова-
зависит от абсолютного уровня флуктуаций плот-
ния крупномасштабных возмущений. Усредненные
ности плазмы на френелевском масштабе в на-
по интервалам достаточно большой длительности
правлении на источник и от углового размера ис-
двумерные карты ниже используются для анализа
точника. Поскольку для подавляющего числа ис-
глобальной структуры распределения плазмы сол-
точников информация об угловых размерах отсут-
нечного ветра.
ствует, была разработана специальная методика
обработки массовых измерений [6, 8]. По измерен-
ным флуктуациям интенсивности строится струк-
2. РЕЗУЛЬТАТЫ СЕРИИ НАБЛЮДЕНИЙ
турная функция
2015-2017 гг.
Положение Солнца относительно используе-
DI(τ) = 〈[δI(t + τ) - δI(t)]2〉
(2)
мой в наблюдениях полосы склонений в течение
с временем усреднения 1 мин при временном сдвиге
года изменяется. Суточные карты распределения
τ = 1 c, соответствующем межпланетным мерца-
уровня мерцаний обнаруживают сильную перемен-
ниям. Вычисленное значение структурной функции
ность, которая связана с неоднородностью и неста-
представляет собой удвоенную сумму дисперсии
ционарностью солнечного ветра. Поэтому для ис-
шумов σ2n и дисперсии мерцающего потока σ2sc
следования долговременной динамики солнечного
ветра необходимо проводить сравнение двумерных
D(1с) = 2(σ2n + σ2sc)
(3)
распределений уровня мерцаний, усредненных по
Исследуемая область неба разбивается на квад-
интервалам равной длительности для последова-
ратные площадки (пиксели) размером
3◦ × 3◦
тельных лет. В качестве таких интервалов были
(3◦ по склонению × 12 мин по прямому восхож-
выбраны календарные месяцы. Усредненные по
месячным интервалам с января по декабрь двумер-
дению) и с учетом известной дисперсии шумов для
каждой площадки вычисляется количество источ-
ные карты распределения уровня мерцаний в 2015,
ников N с мерцающим потоком больше 0.1 Ян,
2016 и 2017 г. приведены на рис. 1. Различие в
σsc > 0.1 Ян. Типичные значения N в наших
характере карт между осенне-зимним и весенне-
измерениях от нескольких единиц до 10. Далее
летним периодами связано с тем, что с сентября
вычисляется величина
по март Солнце находится за пределами полосы
склонений, в которой проводится сканирование
N
M =
,
(4)
неба. Из карт на рис. 1 видно, что в дневное время
Neff
вокруг Солнца наблюдается примерно круговая
где нормировочный коэффициент
светлая область радиусом около 15◦. Понижение
уровня в этой области, соответствующей насыщен-
〈N2〉
Neff =
(5)
ным мерцаниям, связано с подавлением флукту-
〈N〉
аций интенсивности за счет влияния собственных
определяется в результате усреднения по всем
угловых размеров источников. Центральная часть
площадкам за 24 часа. Использование M вместо
карты с подавленными мерцаниями окружена об-
N позволяет подавить возможные вариации уров-
ластью максимальных мерцаний с примерно коль-
ня шумов. Как показано в [6, 8], значение M(4)
цевой формой радиусом около 30◦, за пределами
АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 96
№2
2019
174
ЧАШЕЙ и др.
2015
2016
2017
Рис. 1. Двумерные карты распределения уровня мерцаний, усредненные по месячным интервалам, с января по декабрь
(сверху вниз) для 2015-2017 гг. По оси абсцисс московское время с 22 час предыдущего дня по 22 час текущего дня
московского времени, по оси ординат склонение от -8◦ до +42◦. Оттенки от светло-серого до черного соответствуют
увеличению среднего по пикселям 3◦ × 3◦ уровня мерцаний М от 0.1 до > 1. Стрелкой обозначено положение Солнца.
которой происходит ослабление мерцаний за счет
го уровня мерцаний при удалении просвечиваемых
падения плотности плазмы с удалением от Солнца.
областей от Солнца. В целом серии зависимостей,
В зимние месяцы на картах видна только верхняя
изображенных на рис. 2, имеют сходный характер
часть кольцевых структур. Кажущаяся анизотро-
для трех последовательных лет (а, б, в). С ап-
пия представленных на рис. 1 распределений обу-
реля по сентябрь в центральной части рис. 2а-
словлена тем, что доступная область склонений,
в наблюдается провал, окруженный двумя мак-
имеющая ширину 50◦ (вертикальное направление)
симумами. Провал соответствует максимальному
значительно уже временной области, соответству-
сближению просвечиваемых областей с Солнцем,
ющей углу 360◦. По этой причине для летних
когда мерцания в режиме насыщения подавляются
месяцев границы области максимального уровня
за счет конечных угловых размеров источников.
мерцаний практически совпадают с границами до-
Два максимума относятся к кольцевым структурам
ступной области склонений.
с максимальным уровнем мерцаний. В зимний пе-
риод, с октября по март, вместо структуры с про-
На среднемесячных картах рис. 1 для всех трех
валом и двумя максимумами возникает примерно
лет виден светлый наклонный тренд в ночные часы.
симметричная структура колоколообразной фор-
Этот тренд не связан со структурой, примыкающей
мы. Изменение характера зависимости обусловле-
к орбите Земли межпланетной плазмы, а возни-
но тем, что в зимний период Солнце находится за
кает вследствие комбинации перемещения Солнца
по отношению к полосе склонений и сезонных
пределами используемой полосы склонений. Как
правило, два максимума для летних месяцев имеют
вариаций эффективной площади радиотелескопа.
Сезонные вариации эффективной площади доста-
разные уровни, причем систематическое различие
в предполуденном и послеполуденном максималь-
точно слабы по отношению к среднегодовому зна-
чению, но использованная методика, основанная на
ных уровнях отсутствует. Такая динамика может
подсчете источников в пикселях, в ночное время,
быть объяснена влиянием долгоживущих короти-
когда уровень мерцаний сравнительно низок, ока-
рующих крупномасштабных возмущений, вклад от
зывается чувствительной к небольшим вариациям
которых в разные месяцы преобладает с западной
параметров телескопа. Указанный тренд не вли-
или восточной стороны от линии Земля-Солнце.
яет на результаты анализа глобальной структуры
Индивидуальные события, связанные с коротиру-
солнечного ветра, которые относятся к областям
ющими возмущениями в данных мониторинга мер-
гелиоцентрических расстояний меньше 1 а.е.
цаний, будут рассмотрены в отдельной работе.
На рис. 2а-в приведены зависимости уровня
На рис. 3 приведены усредненные за интервалы
мерцаний от времени суток для всех месяцев 2015,
длительностью в один месяц уровни мерцаний М
2016 и 2017 г., полученные усреднением карт рис. 1
(пунктирная линия) и среднемесячные значения
по всем склонениям (16 пикселей по вертикали) и
чисел Вольфа (сплошная линия). Данные по мер-
по часовым интервалам (5 пикселей по горизонта-
цаниям дополнены результатами для периода с мая
ли). Эти зависимости отражают изменение средне-
по декабрь 2014 г. (левая часть рисунка), отно-
АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 96
№2
2019
ГЛОБАЛЬНАЯ СТРУКТУРА СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
175
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Январь 2015
Февраль 2015
Март 2015
Апрель 2015
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Май 2015
Июнь 2015
Июль 2015
Август 2015
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Сентябрь 2015
Октябрь 2015
Ноябрь 2015
Декабрь 2015
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Январь 2016
Февраль 2016
Март 2016
Апрель 2016
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Май 2016
Июнь 2016
Июль 2016
Август 2016
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Сентябрь 2016
Октябрь 2016
Ноябрь 2016
Декабрь 2016
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Январь 2017
Февраль 2017
Март 2017
Апрель 2017
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Май 2017
Июнь 2017
Июль 2017
Август 2017
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
M
M
M
M
1.0
1.0
1.0
1.0
Сентябрь 2017
Октябрь 2017
Ноябрь 2017
Декабрь 2017
0.8
0.8
0.8
0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0
0
0
0
22 час Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
22 час
Часы
21 час
Рис. 2. Уровень мерцаний, вычисленный для карт рис. 1 усреднением по всем склонениям и часовым интервалам, по
месяцам для 2015 (а), 2016 (б) и 2017 (в) г. По оси абсцисс московское время с -2 час по 21 час.
АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 96
№2
2019
176
ЧАШЕЙ и др.
M
1.0
0.9
100
0.8
80
0.7
0.6
60
0.5
0.4
40
0.3
20
0.2
0.1
0
0
Янв 2015
Янв 2016
Янв 2017
Месяцы
Рис. 3. Среднемесячные значения уровня мерцаний для периода с 01.05.2014 г. по 31.12.2017 г. (нижняя пунктирная
кривая, левая ось ординат); среднемесячные значения чисел Вольфа за тот же период (верхняя сплошная кривая, правая
ось ординат).
сящегося к максимуму солнечной активности. Как
корреляции уровня мерцаний с числами Вольфа
следует из рис. 3, уровень мерцаний на фазе спада
показывает, что магнитные поля пятен практиче-
ски не оказывают влияния на пространственное
активности в 2015-2017 гг. в среднем практически
не меняется со временем и примерно совпадает с
распределение сформировавшегося солнечного
уровнем, наблюдавшимся в максимуме активности.
ветра. По-видимому, глобальное пространственное
Некоторое понижение уровня ночных мерцаний в
распределение солнечного ветра и его циклическая
2016, 2017 г. по сравнению с 2015 г. (рис. 1) по
динамика определяются крупномасштабными маг-
существу не заметно на рис. 3, так как основной
нитными полями солнечной короны.
вклад в среднемесячные значения связан со зна-
Работа частично поддержана грантом РФФИ
чительно более сильными дневными мерцаниями.
16-02-00442.
Сравнение двух зависимостей на рис. 3 показывает
отсутствие корреляции между уровнем мерцаний
и уровнем солнечной активности, причем как для
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
долговременных трендов, так и для вариаций от
1. A. Hewish, P. E. Scott, and D. Wills, Nature 203, 1214
месяца к месяцу.
(1964).
2. В. И. Власов, И. В. Чашей, В. И. Шишов и Т. Д. Ши-
3. ВЫВОДЫ
шова, Геомагнетизм и аэрономия 19, 269 (1979).
3. V. I. Shishov, S. A. Tyul’bashev, I. V. Chashei,
Данные мониторинга межпланетных мерцаний
I. A. Subaev, K. A. Lapaev, Solar Phys. 265, 277
позволяют исследовать эволюцию глобальной
(2010).
структуры солнечного ветра в цикле солнечной
4. I. V. Chashei, V. I. Shishov, S. A. Tyul’bashev,
активности на основе анализа усредненных по
I. A. Subaev, V. V. Oreshko, Solar Phys. 285(1), 142
месячным сериям наблюдений двумерных рас-
(2013).
пределений уровня мерцаний. На фазе спада
5. В. И. Шишов, И. В. Чашей, В. В. Орешко,
24
цикла солнечной активности распределение
С. В. Логвиненко, С. А. Тюльбашев, И. А. Субаев,
плотности плазмы солнечного ветра, как и в период
П. М. Свидский, В. Б. Лапшин и Р. Д. Дагкесаман-
максимума [8], в среднем близко к сферически
ский, Астрон. журн. 93, 1045 (2016).
симметричному и не обнаруживает заметных
6. M. Tokumaru, M. Kojima, and K. Fujiki, Geophys.Res.
вариаций на годовых и месячных интервалах. В
117, 6108 (2012).
минимуме 23/24 цикла влияние гелиосферного
7. P. K. Manoharan, Astrophys. J. 751, 128 (2012)
токового слоя проявилось в существенном по-
8. I. V. Chashei, V. I. Shishov, S. A. Tyul’bashev,
давлении радиальной зависимости уровня мерца-
I. A. Subaev, V. V. Oreshko, and S. V. Logvinenko,
ний [3]. Полученные результаты показывают, что
Solar Phys. 290, 2577 (2015).
в 24 цикле активности гелиосферный слой вплоть
9. S. J. Tappin, Planetary and Space Science 34, 93
до 2017 г. еще не сформировался. Отсутствие
(1986).
АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 96
№2
2019
