Модель кінематичного динамо для сонячного магнітного циклу
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe67.11.796Ключові слова:
плазма, утримання плазми, магнiтогiдродинамiка, сонячний магнiтний цикл, сонячне динамоАнотація
У статтi розглядається проблема пояснення походження та природи просторово-часових варiацiй магнiтної активностi Сонця. У роботi представлена нова гiдродинамiчна модель сонячного магнiтного циклу, яка використовує гелiосейсмiчнi данi про диференцiальне обертання сонячної конвективної зони. В основi моделi лежить гiпотеза виникнення глобальних потокiв у результатi втрати стiйкостi диференцiйно ротацiйного шару плазми в конвективнiй зонi. Спочатку розраховуються гiдродинамiчнi глобальнi потоки плазми без урахування впливу на неї магнiтного поля. За цiєї умови показано, що знайденi розв’язки описують усi глобальнi потоки, що спостерiгаються на поверхнi Сонця: постiйну меридiональну циркуляцiю вiд екватора до полюсiв, крутильнi коливання та просторово-часовi варiацiї меридiонального потоку. У роботi зроблено висновок про те, що останнi два потоки є азимутальною та меридiональною складовими єдиного тривимiрного глобального гiдродинамiчного потоку. По-друге, для моделювання динамiки магнiтного поля були використанi знайденi швидкостi глобальних мiгруючих потокiв та просторовий профiль кутової швидкостi внутрiшнього диференцiального обертання сонячної конвективної зони, отриманий за результатами гелiосейсмiчних вимiрювань. Отримано хороше узгодження характеристик розрахункової динамiки глобальних мiграцiйних потокiв I створюваних ними змiнних глобальних магнiтних полiв iз спостережуваними значеннями на поверхнi Сонця. Дано пояснення деяким явищам на поверхнi Сонця, якi неможливо пояснити в рамках iснуючих моделей.
Посилання
R. Wolf. Extract of a letter to Mr. Carrington. Mon. Not. R. Astron. Soc. 19, 85 (1859).
https://doi.org/10.1093/mnras/19.3.85
G.E. Hale, S.B. Nicholson. The low of Sun-spot polarity. Astrophys. Journ. 62, 270 (1925).
https://doi.org/10.1086/142933
V.M. Efimenko, V.G. Lozitsky. Essential features of longterm changes of areas and diameters of sunspot groups in solar activity cycles 12-24. Adv. Space Res. 61, 2820 (2018).
https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.03.012
I.G. Usoskin, S.K. Solanki, G.A. Kovaltsov. Grand minima and maxima of solar activity: New observational constraints. Astron. Astrophys. 471, 301 (2007).
https://doi.org/10.1051/0004-6361:20077704
Ya.B. Zeldovich, A.A. Ruzmaikin, D.D. Sokoloff. Magnetic Fields in Astrophysics (Gordon and Breach, 1983).
M. Ossendrijver. The solar dynamo. Astron. Astrophys. Review 11 (4), 287 (2003).
https://doi.org/10.1007/s00159-003-0019-3
P. Charbonneau. Dynamo models of the solar cycle. Living Rev. Solar Phys. 17 (4), 1 (2020).
https://doi.org/10.1007/s41116-020-00025-6
E.N. Parker. The formation of sunspots from the solar toroidal field. Astrophys. J. 121, 491 (1955).
https://doi.org/10.1086/146010
F. Krause, K.-H. Raedler. Mean Field Magnetohydrodynamics and Dynamo Theory (Pergamon Press, Ltd., 1980).
A.G. Zagorodniy, O.K. Cheremnykh. Introduction to Plasma Physics (Naukova Dumka, 2014).
V.N. Krivodubskij. Turbulent dynamo near tachocline and reconstruction of azimuthal magnetic field in the solar convection zone. Astronomische Nachrichten 326 (1), 61 (2005).
https://doi.org/10.1002/asna.200310340
V.N. Kryvodubskyj. Dynamo parameters of the solar convection zone. Kinematics and Physics of Celestial Bodies 22 (1), 1 (2006).
D.H. Hathaway. The solar cycle. Living Rev. Solar Phys. 12 (1), 1 (2015).
https://doi.org/10.1007/lrsp-2015-4
V.N. Krivodubskij. Role of rotational radial magnetic advection in possible explaining a cycle with two peaks. Advances in Space Research 68 (9), 3943 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.07.007
A.A. Loginov, N.N. Salnikov, O.K. Cheremnykh, V.N. Krivodubskij, N.V. Maslova. Hydrodynamic model for generation of global poloidal flow of the Sun. Kosm. nauka tehnol. 17 (1), 29 (2011).
https://doi.org/10.15407/knit2011.01.029
A.A. Loginov, N.N. Sal'nikov, O.K. Cheremnykh, Y.I. Zyelyk, N.V. Maslova. On the hydrodynamic mechanism of the generation of the global poloidal flux on the Sun. Kinematics and Physics of Celestial Bodies 27 (5), 217 (2011).
https://doi.org/10.3103/S0884591311050060
A.A. Loginov, O.K. Cheremnykh, V.N. Krivodubskij, N.N. Sal'nikov. Hydrodynamic model of torsional oscillations of the Sun. Kosm. nauka tehnol. 18 (1), 74 (2012).
https://doi.org/10.15407/knit2012.01.074
A.A. Loginov, V.N. Krivodubskij, N.N. Salnikov, Y.V. Prutsko. Simulating the generation of the solar toroidal magnetic field by differential rotation. Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 33 (6), 265 (2017).
https://doi.org/10.3103/S0884591317060058
A.A. Loginov, V.N. Krivodubskij, O.K. Cheremnykh. Generation of the radial magnetic field of the Sun by global hydrodynamic flows. Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 36 (2), 56 (2020).
https://doi.org/10.3103/S0884591320020063
A.A. Loginov, V.N. Krivodubskij, O.K. Cheremnykh. Generation by global migratory flow of variable magnetic field of the Sun. Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 37 (1), 16 (2021).
https://doi.org/10.3103/S0884591321010037
O.O. Botygina, M.Yu. Gordovskyy, V.G. Lozitsky. Estimation of the flux tube diameters outside sunspots using Hinode observations. Preliminary results. Advanc. Astron. Space Phys. 6, 20 (2016).
https://doi.org/10.17721/2227-1481.6.20-23
H.W. Babcock. The topology of the Sun's magnetic field and the 22 year cycle. Astrophys. J. 133, 572 (1961).
https://doi.org/10.1086/147060
E.N. Parker. Cosmical Magnetic Fields: Their Origin and Their Activity (Clarendon Press, 1979).
A.A. Solov'ev, E.A. Kiritchek. The Diffusion Theory of Solar Magnetic Cycle (Elista-Saint-Petersburg, Kalmyk State University, 2004).
S. Basu, H.M. Antia. Characteristics of solar meridional flows during solar cycle 23. Astrophys. J. 717, 488 (2010).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/717/1/488
V.V. Pipin, A.G. Kosovichev. The asymmetry of sunspot cycles and Waldmeier relations as a result of nonlinear surface-shear shaped dynamo. Astrophys. J. 741 (1), 1 (2011).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/741/1/1
V.V. Pipin, A.G. Kosovichev. The mean-field solar dynamo with a double cell meridional circulation pattern. Astrophys. J. 776 (1), 34 (2013).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/776/1/36
D.R. Durran. Improving the anelactic approximation. J. Atmos. Sci. 46 (11), 1453 (1989).
https://doi.org/10.1175/1520-0469(1989)046<1453:ITAA>2.0.CO;2
NASA. Solar Interior. Web page. Accessed: 2021-09-30. http://solarscience.msfc.nasa.gov/interior.shtml (2021).
C.W. Allen. Astrophysical Quantities, 3rd Edition (London University: Athlon, 1976).
E.B. Gladzer, F.V. Dolzhansky, A.M. Obukhov. Systems of Hydrodynamic Type and Their Application (Nauka, 1982).
M.J. Thompson, J. Christensen-Dalsgaard, M.S. Miesch, J. Toomre. The Internal rotation of the Sun. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 41 (1), 599 (2003).
https://doi.org/10.1146/annurev.astro.41.011802.094848
J. Braithwaite, H.C. Spruit. Magnetic fields in non-convective regions of stars. R. Soc. Open Sci. 4, 160271 (2017).
https://doi.org/10.1098/rsos.160271
K.L. Harvey. Magnetic Bipoles on the Sun (Ph.D. thesis, Univ. Utrecht 1993).
Y. Fan. Magnetic Fields in the Solar Convection Zone. Living Rev. Solar Phys. 6 (4), 1 (2009).
https://doi.org/10.12942/lrsp-2009-4
J.M. Borrero, K. Ichimoto. Magnetic Structure of Sunspots. Living Rev. Solar Phys. 8 (4), 1 (2011).
https://doi.org/10.12942/lrsp-2011-4
H.W. Dodson. High latitude sunspot, August 13, 1953. Publ. Astron. Soc. Pacific 65 (386), 256 (1953).
https://doi.org/10.1086/126615
B. Gillespie, J. Harvey, W. Livingston, K. Harvey. Polar magnetic fields and the new solar cycle. Astrophys. J. 186, L85 (1973).
https://doi.org/10.1086/181363
K.L. Harvey, J.W. Harvey, S.F. Martin. Ephemeral active regions in 1970 and 1973. Solar. Phys. 40 (1), 87 (1975).
https://doi.org/10.1007/BF00183154
J.O. Stenflo, A.G. Kosovichev. Bipolar magnetic regions on the Sun: global analysis of the SOHO//MDI data set. Astrophys. J. 745 (2), 129 (2012).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/745/2/129
G.E. Hale, F. Ellerman, S.B. Nicholson, A.H. Joy. The magnetic polarity of sun-spots. Astrophys. J. 49, 153 (1919).
https://doi.org/10.1086/142452
A. Tlatov, E. Illarionov, D. Sokoloff, V. Pipin. A new dynamo pattern revealed by the tilt angle of bipolar sunspot groups. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 432 (4), 2975 (2013).
https://doi.org/10.1093/mnras/stt659
A.G. Tlatov, V.V. Vasil'eva, A.A. Pevtsov. Distribution of magnetic bipoles on the Sun over three solar cycles. Astrophys. J. 717 (1), 357 (2010).
https://doi.org/10.1088/0004-637X/717/1/357
R. Howard, B.J. LaBonte. The Sun is observed to be a torsional oscillator with a period of 11 years. Astrophys. J. 239, L33 (1980).
https://doi.org/10.1086/183286
S.S. Mahajan. Observational Constraints on the Solar Dynamo and the Hunt for Precursors to Solar Flares (PhD thesis, Georgia State University, 2019).
J. Zhao, A.G. Kosovichev. Torsional oscillation, meridional flows, and vorticity inferred in the upper convection zone of the Sun by time-distance helioseismology. Astrophys. J. 603 (2), 776 (2004).
https://doi.org/10.1086/381489
R. Howe. Solar interior rotation and its variation. Living Rev. Solar Phys. 6 (1), (2009).
https://doi.org/10.12942/lrsp-2009-1
Y.-M. Wang, N.R.J. Sheeley. Average properties of bipolar magnetic regions during sunspot cycle 21. Solar Phys. 124 (1), 81 (1989).
https://doi.org/10.1007/BF00146521
A.I. Khlystova, D.D. Sokoloff. Toroidal magnetic field of the sun from data on hale-rule-violating sunspot groups. Astronomy Reports 53 (3), 281 (2009).
https://doi.org/10.1134/S106377290903010X
G.E. Hale, S.B. Nicolson. Magnetic Observations of Sunspots, 1917-1924. Part I. In: Publ. Carnegie Inst. Washington D.C. 438 (1938).
L.L. Kitchatinov, A.A. Nepomnyashchikh. Diamagnetic pumping in a rotating convection zone. Advances in Space Research 58 (8), 1554 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.asr.2016.04.014
E. Illarionov, A. Tlatov, D. Sokoloff. The properties of the tilts of bipolar solar regions. Solar Phys. 290, 351 (2015).
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
