Комплексы активности на солнце в 25-ом цикле солнечной активности

1. Введение

Понятие комплекса активности (КА) на Солнце предложено в 1965 г. [Bumba, Howard, 1965]. В рамках иркутской концепции КА ключевым фактором принадлежности активной области (АО) к КА является продолжительность существования пятен на одном и том же участке солнечной поверхности в кэррингтоновской системе координат. Согласно действующему определению, если на участке фотосферы размером 20×20 гелиографических градусов наблюдаются пятна на протяжении по крайней мере трех солнечных оборотов подряд, такой участок называется ядром КА. Активная область, находящаяся в пределах 20 градусов от границы ядра и связанная с ним корональными петлями в единую систему, называется ветвью КА. Все остальные группы пятен считаются автономными.

Настоящая работа посвящена исследованию свойств и структуры КА на фазе роста и максимума 25-го цикла солнечной активности (январь 2020 г. — декабрь 2024 г.).

2. Идентификация комплексов активности в 25-м цикле

Анализ синоптических карт солнечной поверхности (SOHO/SDO) за 66 солнечных оборотов позволил выделить 1093 группы пятен. За исследуемый период выделено 76 ядер КА (по 38 в северном и южном полушариях), в составе которых сформировалось 443 группы пятен. К ветвям КА отнесено 188 АО, к автономным — 462 АО. Таким образом, 57% всей совокупности АО находилось в составе КА. Данные о группах пятен, идентифицированных как ядра и ветви КА, были систематизированы и сведены в каталог КА. В каталоге указаны порядковый номер КА; для каждого кэррингтоновского оборота, в котором отмечен данный КА, указаны номера АО, входящих в ядро КА; кэррингтоновские координаты (широта и долгота) центров ядер КА; номер АО – ветвей КА в данном обороте; максимальные площади АО; общее число АО в составе КА в данном обороте; мощные вспышки, происходившие в АО в составе КА (начиная с М5.0), а также примечания. Фрагмент каталога КА приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Фрагмент каталога комплексов активности в 25 цикле

3. Сравнительный анализ параметров групп пятен различных типов

Для оценки физических отличий АО в ядрах КА, ветвях КА и автономных группах был проведен статистический анализ их площади, динамики эволюции и вспышечной активности.

Согласно определению ядра КА, пятна в одном и том же месте солнечной поверхности должны наблюдаться как минимум на протяжении трех солнечных оборотов подряд. Это значит, что минимальная продолжительность жизни ядра КА – три кэррингтоновских оборота. Такой подход связан с тем, что большинство групп пятен существует на протяжении нескольких дней, и крайне редко группы пятен живут больше одного оборота. Это, в свою очередь, значит, что если пятна находятся на одном и том же месте на протяжении более двух оборотов подряд, то это с высокой степень вероятности уже новая группа пятен, возникшая на том же самом месте, а такие места и называются ядрами КА. В то же время, есть ряд примеров, когда крупная группа пятен действительно существует на протяжении двух-трех оборотов, и такие случаи также относятся к статистике ядер КА.

Как указано выше, за 2020 – 2024 гг. выделено 76 КА. На рис.1 приведено распределение КА по продолжительности жизни, выраженной числом солнечных оборотов.

Рис. 1. Распределения ядер КА по времени жизни (в кэррингтовских оборотах)

Большинство ядер существовало на протяжении минимального числа оборотов – 3 оборота – 29. Тем не менее, хотя число КА идет на спад по мере роста продолжительности жизни, ядер проживших больше трех оборотов, тоже достаточно.

Ядер, существовавших в течение четырех оборотов, было 19. Зафиксированы ядра КА, «прожившие» даже 10 и 11 оборотов, что по продолжительности немногим меньше года. Очевидно, что это не случайность, и здесь мы имеем дело с особыми местами на солнечной поверхности, где вероятность непрерывной генерации солнечных пятен существенно выше, чем в других местах.

 Анализу подлежал вопрос, отличаются ли по своим параметрам группы пятен, которые мы отнесли к трем разным типам – пятна в ядрах КА, пятна в ветвях КА и автономные пятна. Важным свойством группы пятен является ее суммарная площадь, которая регулярно измеряется международной службой Солнца. В качестве единицы измерения площади группы пятен традиционно применяется условная единица – миллионная доля полусферы Солнца, или мдп, где 1 мдп = 3,043×10⁶ км².

Группы пятен на протяжении своего существования меняют свою площадь от минимальной (менее 10 мдп), до максимального значения. Эти значения могут различаться на 1 – 2 порядка для разных групп пятен. Затем площадь снова спадает до нуля (пятна распадаются и исчезают).

В качестве параметра выбраны максимальные значения площади для каждой группы пятен.

Распределения максимальных значений площади пятен отдельно для групп пятен в ядрах КА (443 объекта), в ветвях КА (188 объектов) и для автономных групп пятен (462 объекта) приведено на рис. 2., по оси ординат – логарифмический масштаб.

Рис. 2. Количество разных типов групп пятен в зависимости от значений максимальной площади

Рассчитаны средняя максимальная площадь и медианное значение максимальной площади для ядер, ветвей и автономных групп пятен. Самая большая площадь оказалась у ядер – 195 мдп, что примерно в два раза больше чем средняя площадь автономных групп – 98. Ветви занимают промежуточное значение – 144.

 По медианным значениям распределение результатов получилось сходным. Самое большое медианное значение характерно для ядер КА – 110 мдп, что в три раза больше чем для автономных групп пятен – 50. Ветви занимают среднее положение – 70.

Наблюдения показывают, что площадь каждой группы пятен на протяжении ее существования непрерывно изменяется. Как правило, площадь пятен в группе монотонно растет, достигает некого максимума, затем площадь пятен начинает уменьшаться и падает до нуля, – группа пятен исчезает.

Если же в одном и том же месте последовательно, одна за другой, всплывают несколько порций магнитного поля, т.е. пятна появляются в одном и том же месте, это может привести к тому, что суммарная площадь пятен будет каждый раз увеличиваться. В результате можно ожидать, что суммарный график, отражающий изменение площади со временем, будет иметь не один экстремум, а несколько локальных максимумов.

Мы исходили из гипотезы, что ядро КА – это как раз то место, где магнитные поля всплывают регулярно, и тогда появление повторных максимумов площади может это

подтверждать. Поэтому была выдвинута гипотеза, что число максимумов будет больше

всего в группах пятен, которые возникают в ядрах, а в ветвях и автономных

группах повторные появления порций магнитного потока нетипичны и

бывают редко.

В рамках этого предположения интерес представляют группы пятен, в которых было больше одного максимума значения площади. Их мы и рассматривали. Проверено, сколько случаев с количеством локальных максимумов площади больше чем один, было в каждом типе групп пятен. Как и ожидалось, что самое большое количество таких случаев было в ядрах – 45%. В ветвях было 33%, а в автономных группах пятен – 31%. Самое большое значение вновь у ядер, а ветви и автономные в данном случае оказались практически равны.

В группах пятен концентрируется значительное количество магнитной энергии, которая при определенных условиях может взрывообразно реализовываться в виде солнечных вспышек. Во время вспышки магнитная энергия может превращаться в тепло, нагревая солнечную плазму до миллионов градусов, а также ускоряя заряженные частицы до скоростей порядка сотен километров в секунду.

Как известно, начиная с 1976 г. в качестве индекса, отражающего уровень солнечного рентгеновского излучения, используется фоновое значение потока мягкого рентгеновского излучения Солнца в диапазоне 0.1 – 0.8 нм (12.5 эВ – 1 кэВ) по данным американских спутников серии GOES. Поток рентгеновского излучения может быть отнесен к одному из классов А, В и С.

А = (1 – 9) ×10 ^-8 Вт/м²

B = (1 – 9) ×10 ^-7 Вт/м²

C = (1 – 9) ×10 ^-6 Вт/м²

Патрульные наблюдения показали, что изменения фонового рентгеновского излучения обычно заключены в пределах от А < 1 в минимуме солнечного цикла до C < 5 в максимуме солнечного цикла.

Такая же система обозначений применяется для обозначения солнечных вспышек, максимальные интенсивности рентгеновского излучения которых лежат в пределах

(1 – 9) ×10 ^-6 Вт/м² (класс С)

 (1 – 9)×10 ^-5 Вт/м² (класс М)

 (1 – n)×10 ^-4 Вт/м² (класс Х),

где n ограничено возможностями сенсора спутника.

На основании этой номенклатуры введены следующие классы для рентгеновских вспышек. Малыми называются все вспышки баллов А, B и С. Средние вспышки – все вспышки в пределах от М1 до М4.9 (М1 – 10^-5 Вт/м², М4,9 – 4.9×10^-5 Вт/м²). Все вспышки класса больше М5 считаются большими или сильными (М5 – 5×10^-5 Вт/м²). Запись «вспышечный индекс данной вспышки равен М7,6» означает, что излучение во время максимума ее развития соответствовало величине 7,6×10^-5 Вт/м², а соответствующая вспышка должна считаться сильной.

Были вычислены значения суммарного вспышечного индекса отдельно для всех групп пятен в ядрах КА, в ветвях КА и для автономных групп пятен.

 Суммарный вспышечный индекс для ядер КА составил 485, что в четыре раза больше, чем для автономных группах пятен – 122, хотя самих автономных групп было больше, чем групп в ядрах КА. У ветвей значение оказалось наименьшим – 38,5, меньше чем у автономных групп пятен, но это связано с небольшим количеством самих групп пятен этого типа.

Самые мощные вспышки – это события рентгеновского класса Х. Их мы рассмотрели отдельно. Составлена таблица всех вспышек класса Х за период 2020–2024 гг. Оказалось, что вспышек класса Х больше всего было в ядрах – 86%. В ветвях наблюдалось 12% подобных вспышек, а на автономные группы пятен пришлось лишь 2%.

Таким образом, можно констатировать, что 81% всей энергии, выделившейся во вспышках за исследуемый период, связано с группами пятен в КА, при этом здесь произошли 98% всех вспышек класса Х. Практически все самые мощные вспышки класса Х произошли в группах пятен в составе КА.

4. Результаты

Все результаты анализа данных собраны в таблицу 1. Четко прослеживается превосходство ядер по значениям всех параметров. Ветви в основном находятся «посередине», а автономные группы пятен имеют самые низкие значения всех исследованных параметров.

Таблица 1

Таким образом, можно сформулировать итоги исследования

1. В первой половине 25-го цикла солнечной активности 57% всех активных областей входили в состав комплексов активности.
2. Группы пятен в ядрах КА статистически значимо превосходят автономные группы пятен по средней максимальной площади (в 2 раза), медианной площади (в 2,2 раза) и частоте повторных всплытий магнитного потока.
3. Подавляющая часть вспышечной энергии (81%) выделилась в группах пятен, связанных с КА. На ядра КА пришлось 86% всех мощных вспышек класса X, тогда как на автономные группы пятен — лишь 2%. Удельный вспышечный индекс ядер КА в 3,3 раза превышает показатель автономных групп пятен.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (субсидия № 075-ГЗ/Ц3569/278, а также госзадание FZZE 2026-0006).

Литература

1. Bumba V., Howard R. Large-scale distribution of solar magnetic fields // The Astrophysical Journal. 1965. Vol. 141. P. 1502–1512.
2. Витинский Ю.И., Копецкий М., Куклин Г.В. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. М.: Наука, 1986. 296 с.
3. Исаева Е.С., Томозов В.М., Язев С.А. Рентгеновские вспышки и комплексы активности на Солнце в 24 цикле // Астрономический журнал. 2020. Т. 97, № 1. С. 64–72.
4. Обридко В.Н., Шельтинг Б.Д. Глобальные комплексы солнечной активности // Астрономический журнал. 2013. Т. 90, № 10. С. 857–868.
5. Язев С.А. Комплексы активности на Солнце: монография. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2015. 180 с.