Двойные максимумы 11-летних солнечных циклов
Рубрика:
| 1Криводубский, ВН 1Астрономическая обсерватория Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, Украина |
| Kinemat. fiz. nebesnyh tel (Online) 2017, 33(1):55-80 |
| Start Page: Физика Солнца |
| Язык: русский |
Аннотация: Для объяснения наблюдаемого явления двойных максимумов циклов солнечных пятен предложен сценарий, включающий генерацию магнитного поля возле дна солнечной конвективной зоны (СКЗ) и его последующий вынос из глубоких слоев на поверхность в «королевской зоне». В перестройке магнитного поля принимают участие пять процессов: Ω-эффект, магнитная плавучесть, макроскопический турбулентный диамагнетизм, ротационный ∇ρ-эффект и меридиональная циркуляция. Установлено, что перестройка магнетизма в высокоширотных и приэкваториальном доменах СКЗ происходит в различных режимах. Ключевую роль в разработанном механизме играют две волны тороидальных полей от нижнего основания СКЗ к солнечной поверхности в приэкваториальном домене. Глубинные тороидальные поля, возбуждаемые Ω-эффектом вначале цикла вблизи тахоклина, благодаря комбинированному действию магнитной плавучести, турбулентного диамагнетизма и ротационного магнитного ∇ρ-потока в приэкваториальном домене транспортируются к поверхности. Фрагменты этих магнитных полей через некоторое время можно наблюдать в виде биполярных групп пятен на средних широтах в «королевской зоне». Эта направленная вверх первая волна тороидальных полей дает основной максимум активности солнечных пятен. Вместе с тем в высокоширотных полярных доменах глубинные тороидальные поля вначале цикла заблокированы возле дна СКЗ двумя эффектами антиплавучести: направленными вниз турбулентным диамагнитным переносом и магнитной ∇ρ-накачкой. Примерно через 1—2 года, когда направленное к экватору глубинное меридиональное течение вытеснит эти поля в низкоширотные участки приэкваториального домена (с благоприятными условиями для магнитного всплывания), наступает очередь подъема «запоздалых» магнитных полей (вторая волна тороидальных полей). Прорываясь на поверхность на низких широтах, вторая порция тороидальных полей приводит к повторному максимуму солнечных пятен. |
| Ключевые слова: альвеновские моды, дискретный спектр, магнитное поле, магнитосфера Земли |
References:
1. Вайнштейн С. И., Зельдович Я. Б., Рузмайкин А. А. Турбулентное динамо в астрофизике. — М.: Наука, 1980.—352 с.
2. Вайнштейн С. И. Магнитные поля в космосе. — М.: Наука, 1983.—240 с.
3. Витинский Ю. И., Конецкий М., Куклин Г. В. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. — М.: Наука, 1986.—296 с.
4. Загородний А. Г., Черемных О. К. Введение в физику плазмы. — Киев: Наук. думка, 2014.—696 с.
5. Зельдович Я. Б. Магнитное поле при двумерном движении проводящей жидкости // Журн. эксперим. и теор. физ.—1956.—31.—С. 154—156.
6. Кичатинов Л. Л. О магнитной гидродинамике средних полей в неоднородной турбулентной среде // Магнит. гидродинамика.—1982.—№ 3.—С. 67—73.
7. Козак Л. В., Костык Р. И., Черемных О. К. Два режима турбулентности на Солнце // Кинематика и физика небес. тел.—2013.—29, № 2.—С. 22—29.
8. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Докл. АН СССР.—1941. —30, № 4.—С. 299—303.
9. Криводубский В. Н. О турбулентной проводимости и магнитной проницаемости солнечной плазмы // Солнеч. данные.—1982.—№ 7.—С. 99—109.
10. Криводубский В. Н. Интенсивность источников магнитных полей солнечного αω-динамо // Астрон. журн.—1984.—61.—С. 540—548.
11. Ладиков-Роев Ю. П., Черемных О. К. Математические модели сплошных сред. — Киев: Наук. думка, 2010.—552 с.
12. Обридко В. Н. Магнитные поля и индексы активности // Плазменная гелиогеофизика / Под ред. Л. М. Зеленого, И. С. Веселовского. — М.: Физматлит, 2008. —Т. I.—C. 41—60.
13. Соловьев А. А., Киричек Е. А. Диффузная теория солнечного магнитного цикла. — Элиста — Санкт-Петербург: Изд-во Калмыцкого ГУ, 2004.—182 с.
14. Antalova A., Gnevyshev M. N. Principal characteristics of the 11-year solar activity cycle // Sov. Astron.—1965.—9.—P. 198—201.
15. Belucz B., Dikpati M., Forghcs-Dajka E. A Babcock-Leighton solar dynamo model with multi-cellular meridional circulation in advection- and diffusion-dominated regimes // Astrophys. J.—2015.—806, N 2.—id. 169.—40 p.
16. Benevolenskaya E. E. A model of the double magnetic cycle of the Sun // Astrophys. Lett.—2003.—509, N 1.—P. L49—L52.
17. Brandenburg A., Sokoloff D., Subramanian K. Current status of turbulent dynamo theory from large-scale to small-scale dynamos // Space Sci. Revs.—2012.—169, N 1-4.—P. 123—157.
18. Braun D. C., Birc A. C. Prospects for the detection of the deep solar meridional circulation // Astrophys. Lett.—2008.—689.—P. L161—L165.
19. Brun A. S., Browning M. K., Dikpati M., et al. Recent advances on solar global magnetism and variability // Space Sci. Revs.—2015.—196, N 1-4.—P. 101—136
20. Cameron R., Dikpati M., Brandenburg A. The global solar dynamo // arXiv:1602.01754. 4 Feb 2016.
21. Cameron R., Schrnsler M. The crucial role of surface magnetic fields for the solar dynamo // Science.—2015.—347, N 6228.—P. 1333—1335.
22. Charbonneau P. Dynamo models of the solar cycle // Liv. Rev. Solar Phys.—2010.—7, N 3.—P. 1—91.
23. Choudhuri A. R., Chatterjee P., Jiang J. Predicting solar cycle 24 with a solar dynamo model // Phys. Rev. Lett.—2007.—98, N 13.—id. 131103.
24. Choudhuri A. R., Schussler M., Dikpati M. The solar dynamo with meridional circulation // Astron. and Astrophys.—1995.—303.—P. L29.
25. Dikpati M., Gilman P. A. Simulating and predicting solar cycles using a flux-transport dynamo // Astrophys. J.—2006.—649.—P. 498—514.
26. Drobyshevskij E. M. Magnetic field transfer by two-dimensional convection and solar “semi-dynamo” // Astrophys. and Space Sci.—1977.—46.—P. 41—49.
27. Dudorov A. E., Krivodubskij V. N., Ruzmaikina T. V., Ruzmaikin A. A. The internal large-scale magnetic field of the Sun // Sov. Astron.—1989.—33, N 4.—P. 420— 426.
28. Georgieva K. Why the sunspot cycle is doubly peaked // ISRN Astron. and Astrophys.—2011.—id. 437838.—11 p.
29. Georgieva K., Kirov B. Solar dynamo and geomagnetic activity // J. Atmos. and Solar Terr. Phys.—2011.—73, N 2-3.—P. 207—222.
30. Giles P. M., Duval T. L., Scherrer P. H., Bogart R. S. A subphotospheric flow of material from the Sun’s equator to its poles // Nature.—1997.—390.—P. 52—54.
31. Gizon L., Birch A. C. Local helioseismology // Liv. Rev. Solar Phys.—2005.—2, N 6.—P. 1—75.
32. Gnevyshev M. N. The corona and the 11-year cycle of solar activity // Sov. Astron.—1963.—7, N 3.—P. 311—318.
33. Gnevyshev M. N. On the 11-years cycle of solar activity // Solar Phys.—1967.—1.—P. 107—120.
34. Gnevyshev M. N. Essential features of the 11 -year solar cycle // Solar Phys.—1977.—51.—P. 175—183.
35. Hathaway D. H. Doppler measurements of the Sun’s meridional flow // Astrophys. J.—1996.—460.—P. 1027—1033.
36. Hathaway D. H. Supergranules as probes of the Sun’s meridional circulation // Astrophys. J.—2012.—760.—P. 83—89.—id. 84.—6 p.
37. Hathaway D. H. The solar cycle // Liv. Rev. Solar Phys.—2015.—12, N 4. —P. 1—87.
38. Hathaway D. H., Nandy D., Wilson R. M., Reichmann E. J. Evidence that a deep meridional flow sets the sunspot cycle // Astrophys. J.—2003.—589.—P. 665—670.
39. Hazra G., Karak B. B., Choudhuri A. R. Is a deep one-cell meridional circulation essential for the flux transport solar dynamo? // Astrophys. J.—2014.—782, N 2.—P. 93 (12 p.).
40. Howe R. Solar interior rotation and its variation // Liv. Revs Solar Phys.—2009.—6, N 1.—P. 1—75.
41. Howe R., Christensen-Dalsgaard J., Hill F., et al. Dynamic variations at the base of the solar convection zone // Science.—2000.—287.—P. 2456—2460.
42. Ivanova T. S., Ruzmaikin A. A. A magnetohydrodynamic dynamo model of the solar cycle // Sov. Astron.—1976.—20.—P. 227—233.
43. Jackiewicz J., Serebryanskiy A., Kholikov S. Meridional flow in the solar convection zone. II. helioseismic inversions of GONG DATA // Astrophys. J.—2015.—805, N 2.—P. 133—141.
44. Jensen E. On tubes of magnetic force embedded in stellar material // Ann. d’Astrophysique.—1955.—18.—P. 127—140.
45. Jiang J., Cameron R. H., Schussler M. The case of the weak solar cycle 24 // Astrophys. Lett.—2015.—808.—L. 28—35.
46. Jiang J.,Chatterjee P., Choudhuri A. R. Solar activity forecast with a dynamo model // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2007.—381, N 4.—P. 1527—1542.
47. KitchatinovL. L. Turbulent transport of magnetic fields in a highly conducting rotating fluid and the sol ar cycle // Astron. and Astrophys.—1991.—243, N 2.—P. 483— 491.
48. Kitchatinov L. L. The solar dynamo: Inferences from observations and modeling // Geomagn. and Aeronomy.—2014.—54, N 7.—P. 867—876.
49. KitchatinovL. L., Rudiger G. Magnetic field advection in inhomogeneous turbulence // Astron. and Astrophys.—1992.—260.—P. 494—498.
50. Kitiashvili I., Kosovichev A. G. Application of data assimilation method for predicting solar cycles // Astrophys. J.—2008.—688.—P. L49—L52.
51. Komm R. W., Howard R. F., Harvey J. W. Meridional flow of small photospheric magnetic features // Solar Phys.—1993.—147.—P. 207—223.
52. Kopecky M., Kuklin G. V. A few notes on the sunspot activity in dependence on the phase of the 11-year cycle and on the heliographic latllude // Bull. Astron. Inst. Czech.—1969.—20.—P. 22—29.
53. Kosovichev A. G. Probing solar and stellar interior dynamics and dynamo // Adv. Space Res.—2008.—41.—P. 830—837.
54. Kraichnan R. H. Internal-ranger spectrum of hydromagnetic turbulence // Phys. Fluids.—1965.—8.—P. 1385—1387.
55. Krause F., Rädler K.-H. Mean field magnetohydrodynamics and dynamo theory. — Oxford: Pergamon Press, Ltd., 1980.—271 p.
56. Krivodubskij V. N. Magnetic field transfer in the turbulent solar envelope // Sov. Astron.—1984.—28, N 2.— P. 205—211.
57. Krivodubskij V. N. Transfer of the large-scale solar magnetic field by inhomogeneity of the malerial denlity in the convective zone // Sov. Astron. Lett.—1987.—13.— P. 338—341.
58. Krivodubskij V. N. Rotational anisotropy and magnetic quenching of gyrotropic turbulence in the solar convective zone // Astron. Reports.—1998.—42.—P. 122—126.
59. Krivodubskij V. N. The structure of the global solar magnetic field excited by the turbulent dynamo mechanism // Astron. Reports.—45.—2001.—P. 738—745.
60. Krivodubskij V. N. Turbulent dynamo near tachocline and reconstruction of azimuthal magnetic field in the solar convection zone // Astron. Nachr.—2005.—326, N 1.— P. 61—74.
61. Krivodubskij V. N. Turbulent effects of sunspot magnetic field reconstruction // Kinematics and Physics of Celestial Bodies.—2012.—28, N 5.—P. 232—238.
62. Krivodubskij V. N. On the extended 23rd solar cycle // Solar and astrophysical dynamos and magnetic activity: Proc. IAU Symp. N 294 / Eds A. G. Kosovichev et al. — Cambridge: Cambridge University Press, 2013.—P. 69—70.
63. Krivodubskij V. N., Lozitska N. I. Dependence of solar cycles duration on the magnitude of the annual module of the sunspots magnetic field // Proc. IAU Symp.— 2013.—294.—P. 71—72.
64. Krivodubskij V. N. Small scale alpha-squared effect in the solar convection zone // Kinematics and Physics of Celestial Bodies.—2015.—31, N 2.—P. 55—64.
65. Kuznetsov V. D., Syrovatskii S. I. The floating up of magnetic fields and the 11-year cyclicity of solar activity // Sov. Astron.—1979.—23.—P. 715—719.
66. Makarov V. I., Tlatov A. G., Callebaut D. K., et al. Large-scale magnetic field and sunspot cycles // Solar Phys.—2001.—198, N 2.—P. 409—421.
67. Miesch M. S., Dikpati M. A three-dimensional Babcock-Leighton solar dynamo model // Astrophys. Lett.—2014.—785.—P. L8—L12.
68. Moreno-Insertis F. Rise times of horizontal magnetic flux tubes in the convection zone of the Sun // Astron. and Astrophys.—1983.—122.—P. 241—250.
69. Muñoz-Jamarillo A., Dasi-Espuig M., Balmaceda L. A., DeLuca E. E. Solar cycle propagation, memory, and prediction: insights from a century of magnetic proxies // Astrophys. Lett.—2013.—767: L25.—7 p.
70. Nandy D., Choudhuri A. R. Explaining the latitudinal distribution of sunspots with deep meridional flow// Science.—2002.—296.—P. 1671—1674.
71. Nandy D., Muñoz-Jaramillo A., Martens P. C. H. The unusual minimum of sunspot cycle 23 caused by meridional plasma flow variations // Nature.—2011.—471, N 7336. —P. 80—82.
72. Nelson N. J., Brown B. P., Sacha Brun A., et al. Buoyant magnetic loops generated by global convective dynamo action // Solar Phys.—2014.—289, N 2.—P. 441—458.
73. Nesme-Ribes E., Meunier N., Vince I. Solar dynamics over cycle 19 using sunspots as tracers // Astron. and Astrophys.—1997.—321.—P. 323—329.
74. Ossendrijver M. The solar dynamo // Astron. and Astrophys. Rev.—2003.—11, N 4.—P. 287—367.
75. Parker E. N. The formation of sunspots from the sot ar toroidal field // Astrophys. J.—1955.—121.—P. 491—507.
76. Pipin V. V., Kosovichev A. G. The mean-field solar dynamo with a double cell meridional circulation pattern // Astrophys. J.—2013.—776.—id. 36.—9 p.
77. Popova E. P., Potemina K. A., Yukhina N. A. Double cycle of solar activity in a two-layer medium // Geomagn. and Aeronomy.—2015.—54, N 7.—P. 877—881.
78. Popova E., Zharkova V., Zharkov S. Probing latitudinal variations ofthe solar magnetic field in cycles 21—23 by Parker’s two-layer dynamo model with meridional circulation // Ann. Geophys.—2013.—31.—P. 2023—2028.
79. Rädler K.-H. Zur Elektrodynamik turbulent bewegter leitender Mediem // Z.Naturforsch. A.—1968.—23.—S. 1841—1860.
80. Rüdiger G., Arlt R. Physics of solar cycle // Advances in nonlinear dynamos (The Fluid Mechanics of Astrophysics and Geophysics) / Eds A. Ferris-Mas, M. Nunes. — London, New York: Taylor & Francis, 2004.—P. 147—191.
81. Schad A., Timmer J., Roth M. Global helioseismic evidence for a deeply penetrating solar meridional flow consisting of multiple flow cells // Astrophys. Lett.—2013.— 778, N 2.—P. L38—L44.
82. Schatten K. H., Scherrer P. H., SvalgaardL., Wilcox J. M. Using dynamo theory to predict the sunspot number during cycle 21 // Geophys. Res. Lett.—1978.—5.—P. 411 —414.
83. Schou J., Antia H. M., Basu S., et al. Helioseismic studies of differential rotation in the solar envelope by the solar oscillations investigation using the Michelson Doppler Imager // Astrophys. J.—1998.—505.—P. 390—417.
84. Schüssler M. On buoyant magnetic flux tubes in the solar convection zone // Astron. and Astrophys.—1977.—56.—P. 439—442.
85. Schwabe H. Sonnen-Beobachtungen im Jahre 1843 // Astron. Nachr.—1844.—21(495).—P. 233—236.
86. Shepherd S. J., Zharkov S. I., Zharkova V. V. Prediction of solar activity from solar background magnetic field variations in cycles 21—23 // Astrophys. J.—2014.— 795, N 1.—P. 46 (8 p.).
87. Snodgrass H. B., Dailey S. B. Meridtonal motions of magnetic features in the solar photosphere // Solar Phys.—1996.—163.—P. 21—42.
88. Stix M. The Sun: an introduction, second edition. — Berlin: Springer-Verlag, 2002.—490 p.
89. Svalgaard L., Cliver E. W., Kamide Y. Sunspot cycle 24: Smallest cycle in 100 years? // Geophys. Res. Lett.—2005.—32, N 1.—P. L01104.
90. Tlatov A., Illarionov E., Sokoloff D., Pipin V. A new dynamo pattern revealed by the tilt angle of bipolar sunspot groups // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2013.—432, N 4. —P. 2975—2984.
91. Unno W., Ribes E. On magnetic buoyancy in the convection zone // Astrophys. J.—1978.—208.—P. 222—232.
92. Wang Y.-M., Sheeley N. R., Nash A. G. A new solar cycle model including meridional circulation // Astrophys. J.—1991.—383.—P. 431—442.
93. Zeldovich Ya. B., Ruzmaikin A. A., Sokoloff D. D. Magnetic fields in astrophysics. —New York: Gordon and Breach, 1983.
94. Zhao J., Bogart R. S., Kosovichev A. G., Duvall T. L., Hartlep T. Detection of equatorward meridional flow and evidence of double-cell meridional circulation inside the Sun // Astrophys. Lett.—2013.—774, N 2.—P. L29—L34.
95. Zhao J., Kosovichev A. G. Torsional oscillation, meridional flows, and vorticity inferred in the upper convection of the Sun by time-distance helioseismology // Astrophys. J.—2004.—603.—P. 776 —784.
96. Zharkova V. V., Shepherd S. J., Zharkov S. I. Principal component analysis of background and sunspot magnetic field variations during sol ar cycles 21—23 // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc.—2012.—424, N 4.—P. 2943—2953.
97. Zharkov S., Gavryuseva E., Zharkova V. The observed long- and short-term phase relation between the toroidal and poloidal magnetic fields in cycle 23 // Solar Phys. —2008.—248.—P. 339—358.
98. Zolotova N. V., Ponyavin D. I. Impulse-like behavior of the sunspot activity // Astron. Reports.—2012.—56.—P. 250—255.