Общие и локальные характеристики Солнца

Проблема солнечного магнетизма и его цикличности - одна из главных проблем солнечной физики. Изучение всех ее аспектов таит много загадок, которые дают ответы на вопросы о поведении Солнца на разных временных и пространственных масштабах. Цель проекта - выяснить природу солнечных явлений, исходя из данных многоволновых наблюдений, включая оригинальные, и модельных расчетов. Проект направлен на изучение глобальных и локальных свойств Солнца и поиска связи между ними, исследование особенностей его переменности и солнечной активности. Особое внимание предполагается уделить анализу магнитных полей, начиная от мелкомасштабных магнитных элементов в фотосфере и заканчивая глобальными характеристиками Солнца как звезды. Одна из наиболее важных целей – получение информации о структуре и динамике магнитного поля и электрических токов в атмосфере Солнца и применение ее для лучшего понимания их роли в явлениях солнечной активности. Это будет способствовать не только более обоснованному прогнозу вспышек, но и созданию российской службы Солнца. На основании многолетних наблюдений общего магнитного поля Солнца предполагается изучить его изменение со временем и определить основные периоды переменности. Нами будут продолжены исследования глобальных колебаний Солнца на протяжении многих лет с целью изучения характера их изменения в зависимости от циклов активности и возможного влияния внешних факторов. Проект нацелен также на получение новой информации о процессах энерговыделения в атмосфере Солнца и вспыхивающих звезд, исходя из солнечно-звездной аналогии. Будут исследованы волновые и колебательные явления, модели ускорения заряженных частиц, нагрев корональной плазмы и механизмы формирование солнечного и звездного ветров. Анализ нестационарных процессов в атмосфере Солнца будет проводиться с учетом современных многоволновых наблюдений, включая данные в суб-терагерцовом диапазоне. Предполагается проведение детального сравнительного анализа измерений магнитных полей активных областей на различных высотах. Выработка предложений по улучшению спектрополяризационных измерений магнитных полей на инструментах ФГБУН «КрАО РАН». Развитие на основе детального изучения различных нестационарных солнечных явлений современных аналитических и численных методов физики плазмы. Особое внимание предполагается уделить поиску статистически достоверных новых связей и закономерностей между особенностями эволюции магнитного поля Солнца и современными теоретическими представлениями. Проведению интерпретации полученных результатов, исходя из теории гидромагнитного динамо и механизмов образования различных солнечных образований. Это позволит обобщить полученные данные с целью улучшения долговременного прогноза как солнечной активности. Проект направлен на развитие новой магнито-морфологической классификации активных областей, в также ее приложений в свете представлений о флуктуационном динамо. Будет уделено значительное внимание исследованию скоростей вращения различных магнитных образований, что позволит лучше понять эволюцию и глубину их формирования в конвективной зоне Солнца. Предполагается провести статистический анализ скорости затухания магнитного потока образований с разной магнитной конфигурацией, а также продолжить исследование влияние электрических токов на вспышечную продуктивность активных областей. В ходе реализации проекта предполагается модернизировать и обновить некоторые узлы приемной аппаратуры, используемой для измерения, мониторинга и архивации магнитных полей Солнца в ФГБУН «КрАО РАН». Это может быть использовано в дальнейшем при создании национальной службы Солнца. Солнце – источник жизни на Земле, магнитное поле которого ответственно за солнечную активность на различных временных и пространственных масштабах. В первую очередь, это касается вспышек, генерирующих гигантские выбросы массы и потоки ускоренных заряженных частиц (в основном – протонов) в гелиосферу, что определяет космическую погоду и оказывают существенное влияние на климат, биосферу и техносферу Земли. В последние время космическое пространство стало неотъемлемой сферой практической деятельности человека. В нем работает большое количество космических аппаратов различного назначения, с помощью которых ведутся научные исследования в интересах экономики. Решаются прикладные задачи, включающие вопросы обеспечения безопасности страны. Надежность и эффективность работы космических аппаратов зависит в том числе и от состояния окружающей их среды. Поэтому исключительно важно иметь полную информацию о процессах, протекающих в атмосфере Земли и ближнем космосе, возможность диагностировать и прогнозировать космическую погоду, а также оценивать их возможные последствия. Неблагоприятные явления космической погоды нарушают нормальную работу сетей связи, навигационных систем, линий электропередач, трубопроводов и т.д., создавая в целом значимые риски для инфраструктуры экономики и безопасности страны. Наконец, Солнце – это уникальная космическая лаборатория. В отличие от далеких звезд, мы можем детально изучать различные физические процессы на огромных масштабах в экстремальных условиях, которые не достижимы в условиях Земли. Это позволяет проводить уникальные фундаментальные исследования и лучше понять природу многих не только космических, но и земных явлений. Не теряет своей актуальности проблема нагрева солнечной короны и ускорения быстрого ветра, который оказывает существенное влияние на магнитосферу Земли. Иименно звездный ветер вносит определяющий вклад в замедление вращения звезд. Остается нерешенным и вопрос о возможности существования сильных магнитных полей в короне Солнца, которые для вспышечных петель могут превышать сотни гаусс. Нет ясного понимания природы так называемых белых и LDE-вспышек, которые тесно связаны с процессами ускорения заряженных частиц и локального энерговыделения. Отметим, что использование спутниковых данных для исследования сильных магнитных полей пятен может приводить к заметным погрешностям, главным образом, либо из-за инструментальных эффектов, либо вследствие необходимости решения довольно сложной обратной задачи. Между тем визуальные измерения напряженности магнитного поля, основанные на зеемановском расщеплении линии FeI 6302.5 Å, проводимые на БСТ-2 ФГБР «КрАО РАН» с середины прошлого века, в отличие от магнитографических и спектрополяриметрических, все еще остаются наиболее надежными. Необходимость изучения активности Солнца в долгосрочной перспективе становится особенно очевидной ввиду заметного ослабления его активности на протяжении двух последних циклов. Несмотря на то, что солнечная постоянная, характеризующая поток световой энергии на орбите Земли, меняется от минимума к максимуму солнечной активности всего на 0.1%, в настоящее время имеется много исторических свидетельств в пользу тесной связи климатических изменений с вариациями солнечной активности. Таким образом, для обеспечения научно обоснованного долгосрочного планирования, высокой надежности и эффективности техники космического и наземного базирования необходимо глубокое понимание физических процессов, происходящих по всей цепи – от генерации магнитных полей на Солнце до отклика в атмосфере Земли требуется комплексные исследования. Именно на этом и сфокусирован предлагаемый проект. Основной задачей проекта является выяснение природы физических и динамических процессов в солнечных магнитных образованиях разных пространственных масштабов на основе данных, полученных по результатам многоволновых наблюдений и модельных расчетов, а также улучшение метода прогноза солнечной активности. Мы планируем продолжать изучение магнитных структур на Солнце, начиная от самых больших и доступных (корональных дыр, активных областей) до самых мелких (эфемерные области, отдельные магнитные элементы). Наряду с использованием данных прямого доступа, планируем получить наблюдения магнитного поля с помощью спектрополяриметра нового поколения на телескопе БСТ-1, позволяющего строить карты магнитного поля активных и невозмущенных областей в разных линиях, включая хромосферные слои, с пространственным разрешением, ограниченным только влиянием земной атмосферы. Продолжим однородный ряд наблюдений максимального магнитного поля в пятнах, начатый в 1955 г., а также в линии НеI 10830 А (телескоп БСТ-2), что позволит изучать корональные дыры и волокна. Не останутся без внимания и теоретические исследования и модельные расчеты. В частности, планируется исследовать МГД процессы в солнечных спикулах, возможно определяющих высокую температуру солнечной короны, а также в областях вспышечного энерговыделения. Изучить механизмы излучения и ускорения заряженных частиц в различных слоях солнечной атмосферы. Особое внимание предполагается уделить наблюдению максимальных магнитных полей пятен на основе эффекта Зеемана, проводимых в Крыму на протяжении почти 70 лет. Важная задачей проекта связана с детальными исследованиями эволюции усредненных магнитных полей пятен для заданных диапазонов его значений на разных фазах солнечного цикла. В задачу проекта входит также изучение измерений магнитных полей пятен, выполненных на SDO/HMI, что позволит не только провести сравнительный анализ с результатами измерений в ФГБУН «КрАО РАН», но и получить информацию о полном векторе магнитного поля. Значительное внимание будет уделено приложениям, следующих из новой магнито-морфологической классификации, исследованиям динамики дифференциального вращения различных магнитных образований. Изучению характеристик магнитного поля Солнца как звезды. Реализация НИР позволит лучше понять природу магнитного поля Солнца и звезд в свете представлений о динамо-механизме, а также повысить достоверность долгосрочного прогноза солнечной активности. Сформулируем задачи более конкретно: • Анализ регулярных измерений магнитного поля и колебаний фотосферы на основе эффектов Зеемана и Доплера. • Изучение структуры и эволюции магнитного поля, вращения Солнца и вариаций, обусловленных 11-летним циклом, солнечной активностью и механизмом динамо, их потенциальной роли в проблеме «глобального потепления» и космической погоды. • Анализ многолетних данных о магнитном Солнце, полученных в ФГБУН «КрАО РАН» и других обсерваториях. • Изучение закономерностей вращения Солнца, характеристик магнитного поля за несколько циклов. • Изучение природы глобальных колебаний фотосферы. • Уточнение модели Солнца и выяснение природы 22-летнего цикла. • Разработка новых методов исследования Солнца. • Мультиволновой анализ солнечных вспышек с помощью наземных и внеатмосферных наблюдений. Сопоставление полученных результатов с моделями вспышек. • Разработка модели ускорения электронов в солнечных вспышках в нижних слоях солнечной атмосферы. • Изучение спектра колебаний общего магнитного поля Солнца при помощи различных методов анализа длительных временных рядов различных обсерваторий. • Трехмерное численное МГД моделирование мелкомасштабных магнитных элементов на основе новой аналитической модели. • Проведение кросс-корреляционного анализа временных профилей излучения солнечных вспышек в разных диапазонах и интерпретация полученных результатов для выбранных событий. • Анализ структуры равновесных сильно скрученных корональных петель, которые способны обеспечить значительную концентрацию магнитных полей. • Изучение методов обнаружения и особенностей распространения альфвеновских волн в атмосферах Солнца и звезд. • Рассмотрение процесса лавинообразной ионизации электронов в квази-стационарных электрических полях нижней атмосферы Солнца. • Изучение связи параметров солнечного ветра и магнитных характеристик корональных дыр. • Выявление взаимной роли глобального и флуктуационного динамо на масштабах активной области на основе новой магнито-морфологической классификации. • Анализ временного изменения скоростей вращения магнитных образований, исходя из особенностей эволюции активной области и магнито-морфологического класса. • Исследование физических характеристик униполярных пятен. • Поиск связи между локальными/распределенными фотосферными электрическими токами и вспышечной активностью. • Базы данных ФГБУН «КрАО РАН» будут пополнены уникальными данными, включая синоптические карты, в результате проведения наблюдений магнитных полей солнечных пятен в линии FeI 6302.5 Å и построения изображений диска Солнца в линии НеI 10830 А на телескопе БСТ-2. • Наблюдение участков Солнца в линиях FeI 5250/5247 и Cr I 5247 (высоты формирования линий около 215, 328 и 244 км соответственно) и в хромосферных спектральных линиях триплета • Mg Ib 5167, 5173, 5184 (высота формирования около 525 км) на телескопе БСТ-1 с помощью нового спектрополяриметра и новой системы управления телескопом. • Получение новых сведений об асимметрии северного и южного полушарий Солнца, о морфологической структуре активных областей, дифференциальном вращении Солнца, турбулентной диффузии магнитного поля, диссипации магнитных структур, электрических токах и спиральности магнитного поля. • Новые знания о переменности Солнца и его влиянии на космическую погоду и климат. • Лучшее понимание физики нестационарных явлений, происходящих на Солнце и других звёздах. • Уточнение основных периодов вращения общего магнитного поля Солнца, их расщепления, а также их связи между собой; заключения о поведении глобального магнитного поля Солнца на больших промежутках времени. • Анализ изменения амплитуд глобальных пульсаций Солнца. • Уточнение моделей солнечных вспышек и механизмов ускорения заряженных частиц, улучшение их прогноза и оценки геоэффективности. • Увеличение достоверности долговременных прогнозов космической погоды. • Проведение трехмерного численного МГД моделирования мелкомасштабных магнитных элементов на основе новой аналитической модели. • Интерпретация долгопериодических вариаций магнитного поля и интенсивности. • Разработка новых методов корональной сейсмологии для волокон и магнитных жгутов на основе методов численного моделирования. • Разработка модели солнечных спикул, основанной на аннигиляции магнитных полей в условиях частично ионизованной плазмы. • Получение указаний, что только в сильно скрученных изолированных магнитных жгутах могут существовать поля, значения которых в десятки раз превышают фоновые величины. • Оценка эффективности отражения альфвеновских волн с периодами большими нескольких десятков минут от переходной области Солнца. • Разработка модели ускорения электронов солнечных вспышек в нижней атмосфере Солнца. • Получение новой информации о связи между максимальными значениями солнечных пятен и фазой цикла солнечной активности. • Новые закономерности между вспышечной продуктивностью и параметрами активных облатей (магнито-морфологический класс, плотности и распределения токов, особенностями вращениями, спиральности и т.д.). • Новая интерпретация полученных экспериментальных результатов, исходя из теории гидромагнитного динамо и современных представлений о механизмах формирования солнечных пятен. • Усовершенствование спектральных измерений напряженностей магнитных полей в ФГБУН «КрАО РАН», и, в частности, улучшение системы регистрации диска Солнца с группами пятен. • Указания о формировании солнечных пятен с сильными магнитными полями подфотосферными течениями плазмы. • Обоснование тезиса о невозможности возникновения супервспышек на Солнце. Все результаты будут соответствовать мировому уровню и по некоторым позициям, возможно, превышать его. Реализация проекта позволит сохранить ведущие позиции крымских ученых в области исследований магнитного поля Солнца и его проявлений. Полученные результаты могут быть использованы для краткосрочного (1-3 дня) и долгосрочного прогноза солнечной активности.