Роль меридиональной циркуляции в развитии солнечного цикла Соловьев А. А. (ГАО РАН) , ИКИ РАН

Новая всеволновая солнечная астрономия, космические телескопы

Успехи гелиосейсмологии Распределение угловой скорости вращения в конвективной зоне Солнца(тахоклин, лептоклин) Успехи гелиосейсмологии Распределение угловой скорости вращения в конвективной зоне Солнца (тахоклин, лептоклин) Наблюдения Численная модель

Локальная гелиосейсмология – заглядываем под солнечные пятна

Меридиональная циркуляция

Омега- эффект: намотка тороидального магнитного поля происходит на Солнце всегда, пока есть полоидальное магнитное поле и дифференциальное вращение. Магнитная «шпулька» на Солнце непрерывно работает!

Омега и альфа – эффекты. Альфа-эффект должен произвести обратное преобразование тороидального магнитного поля в полоидальное, чтобы замкнуть цикл…

Солнечное динамо, вероятно, действует в тахоклинной области Силовая линия магнитного поля Тахоклина Sunspots

Основная проблема теории магнитного цикла Как замкнуть солнечный цикл: как из «старого», распадающегося тороидального магнитного поля активных областей создать на прежнем месте (в тахоклине или вблизи его!) новое полоидальное м. поле, тождественное исходному, которое бы могло положить начало новому циклу?

Регенерация магнитного поля – антиэнтропийный процесс! Механизм восстановления первоначального полоидального магнитного поля из тороидального поля, уже прошедшего определенную стадию диссипации в активных областях, предполагает действие независимого от данного поля агента (очень специального поля скоростей!), который должен не только преодолеть, но и обратить рост энтропии в магнитной подсистеме!

Проблема граничных условий Уравнения динамо справедливы только в конвективной зоне, а явления СА мы наблюдаем уже вне конвективной зоны, в фотосфере и выше, где физические условия совершенно иные!

Переполюсовка –Примерно каждые 11 лет общее магнитное поле Солнца меняет знак. –«Переполюсовка» полоидального магнитного поля происходит вблизи максимума солнечной активности, когда число пятен на Солнце максимально (максимум потока тороидального магнитного поля). Куда и как исчезает с поверхности Солнца прежний магнитный поток? Как удалить с поверхности Солнца магнитное поле предыдущего цикла? - Одна из наиболее трудных проблем любых циклических моделей

Giant Loops and Polar Magnetic Field Reversals Topology of the magnetic field reversal from H.W. Babcock (ApJ 133, 1961, p. 572) Giant coronal loops together with meridional circulation and turbulent diffusion play very important role in polar magnetic field reversals. Part of the magnetic flux from mid-latitude goes to plasma heating inside these loops.

Аннигилирует? Тонет?

Аннигиляция? Для того, чтобы магнитная силовая линия одной полярности проаннигилировала с линией другой полярности (направления), необходимо обеспечить контакт этих двух линий на всем их протяжении, что в реальных условиях совершенно невыполнимо. Реально возможен лишь локальный контакт магнитных силовых линий, т.е. только локальное их пересоединение!

Локальное пересоединение Локальное пересоединение магнитных силовых линий над фотосферой меняет геометрию и топологию поля в данном месте, но не изменяет общего числа силовых линий, не приводит к репликации, удвоению магнитного потока. Общая ориентация поля между полюсами Солнца также при этом сохраняется

Еще раз: схема Бэбкока-Лейтона не решает проблемы: основания приполярных м. петель остаются на месте!

Тонет ли магнитное поле? Одной локальной аннигиляции недостаточно. Но может быть, магнитное поле уходит вниз, тонет, освобождая место полю другой полярности? Тонуть может только такая м.с. линия, все точки которой находятся в фотосфере и могут испытывать поперечные смещения под действием нисходящих потоков плазмы в межгранульных промежутках (топологическая накачка поля, Дробышевский Э.М.)

Не всякое магнитное поле тонет!..

Как уничтожить магнитное поле, вышедшее наверх из фотосферы, т.е. покинувшее конвективную зону, где имеются нисходящие потоки плотной плазмы? Для такого поля есть только один способ диссипации – улет: необратимый уход в межпланетное пространство…

Если магнитное пересоеди- нение происходит ниже уровня фотосферы в доста- точно глубоких слоях, то нижняя магнитная петля может утонуть благодаря нисходящим движениям и/или понижению температуры плазмы в ней, а верхний замкнутый магнитный контур – сможет уйти в межпланетное пространство… Важно, где, на каком уровне происходит пересоединение магнитных силовых линий?!

Таким образом, циклическая эволюция магнитных полей на Солнце с неизбежностью включает в себя в каждом цикле множественные пересоединения магнитных полей под фотосферой и в более глубоких слоях и уход «отработавшего» магнитного потока наружу! Данный вывод, полученный из простых наглядных соображений, носит принципиальный характер!

Диффузионно-релаксационная модель солнечного магнитного цикла (Соловьев, Киричек, 2004) Основная физическая единица СА - магнитный 22-летний (хэйловский) цикл. Входящие в хэйловский цикл 11-летние циклы пятен образуют тесные физические пары, в то время как связь между отдельными хэйловскими 22-летними циклами выражена слабо. Отсюда - основная идея диффузионно-релаксационной модели: каждый хэйловский цикл есть проявление некоторой крупномасштабной знакопеременной диссипативной магнитной структуры, которая каждые 22 года образуется в конвективной зоне отдельной «порцией» магнитного потока.

Диффузионно-релаксационная модель солнечного магнитного цикла Данная магнитная структура, необратимо диссипируя, уходит в течение 22-х лет через фотосферу и корону в околосолнечное межпланетное пространство, прорисовывая на поверхности Солнца цикл СА, а на смену ей в конвективной зоне возникает новая магнитная структура, аналогичная предыдущей, но топологически с ней не связанная.

Исходная магнитная конфигурация полоидального магнитного поля в конвективной зоне

Теоретическая основа релаксационно- диффузионной модели цикла: решения диффузионной задачи (магнитное поле и поле скоростей) + учет переноса углового момента (азимутальная компонента уравнения движения) + учет омега -эффекта

Решение диффузионной задачи Основное уравнение МГД решалось для случая, когда векторное произведение имеет градиентный характер: Тогда в уравнении индукции остается только первый член, описывающий диффузию магнитного поля. Но поле скорости при этом не обращается в нуль, имеет место ПАССИВНАЯ меридиональная циркуляция

Моделирование хэйловского цикла

В модели, полагающей, что в основе наблюдаемых проявлений солнечной активности (СА) лежит необратимый процесс диффузионного распространения магнитного поля из конвективной зоны наружу, удается формально описать основные особенности развития СА. Такого рода моделирование представлено в книге Соловьев А.А., Киричек Е.А. «Диффузионная теория солнечного магнитного цикла» 2004, Элиста-СПб, -181 с. (см. также «Солнечный цикл как диссипативная магнитная структура» Изв. РАН, Сер. физ том 70, 10. с

? –Та же теоретическая проблема: как замкнуть магнитный цикл, – как создается новая диссипативная магнитная структура, приходящая на смену ушедшей, диссипировавшей? Это, как и в общепринятой динамо-теории, - центральная проблема.

Может быть, новый магнитный поток забрасывается в конвективную зону снизу из тахоклина? Конвективная зона – «мясорубка», перерабатывающая «магнитное мясо» в «фарш»: в больших масштабах в таком магнитном «фарше» наблюдается регулярность (вспомните, как выглядит фарш), а в малых масштабах регулярного поля – нет… Но Каким образом магнитный поток квазипериодически подается в конвективную зону?

Вихри Россби? Джалилов Н.С., Штауде Ю. «Глобальные колебания Солнца», Элм, Баку, Для глобальных вихрей Россби в основании конвективной зоны ими получен дискретный спектр. Если нормировать его так, что первая гармоника имела бы период 1.3 года (колебания в тахоклине), то дальше получаем: 22 года, 100 лет, 4600, 32000…

Вихри Россби? Вихри Россби, возможно, выполняют роль «механического кочегара», забрасывающего магнитное «топливо» в конвективную зону, или «мясника», забрасывающего кусочки мяса в конвективную «мясорубку»… Такие возможности нам казались перспективными, но продвинуться в этом направлении не удалось…

Вспомним теперь о меридиональной циркуляции В последнее время особо популярными стали модели цикла, основанные на представлениях о ведущей роли меридиональной циркуляции («транспортные» модели) и на «магнитной памяти»… В частности, модель Dikpati, de Toma, Gilman, Arge & White, 2004, ApJ, 601, 1136)

R ( max)n=f[(DM)n- 3, (DM)n-2, (DM)n-1] ~ Транспортная модель цикла Дикпати, Гилмана и др. Прогноз их провалился: в 2008 г. ими уже прогнозировался бурный рост СА, а на самом деле только сейчас едва-едва намечается подъем нового 24-го цикла.

Дальнейшее развитие диффузионной модели цикла На рисунке показано как полоидальное, так и тороидальное м. поле, накручиваемое дифференциальным вращением из полоидальных полей, главным образом, на границах тороидов, там, где магнитные линии наиболее длинные, идут почти от полюса до полюса. Красные точки – тороидальное поле, направленное к нам, синие – от нас. Выполняется закон полярностей Хэйла. Как знакопеременная магнитная структура вложенных торов м.б. возобновлена за счет действия меридиональной циркуляции?

МГД-эффект: умножение магнитного потока При разрыве замкнутого магнитного контура возникают два аналогичных кольца, магнитный поток удваивается!

Роль меридиональной циркуляции в развитии магнитного цикла Верхний магнитный «банан» при подходе его (вследствие диффузии) к поверхности Солнца будет растянут меридиональными течениями плазмы (показаны красным цветом только слева ) и разорван на две части, каждая из которых будет увлекаться у полюса вниз…

Показан только верхний левый квадрант: поле расположенного сверху магнитного тороида затягивается меридиональной циркуляцией (показана красной линией) через полярную «горловину» вниз, под второй нижележащий магнитный тороид. Так формируется новая магнитная структура Черные линии - магнитная структура верхнего тора. Вверху, близ полюса, где они пережимаются – область их пересоединения. Синяя линия – меридиональное сечение нижнего магнитного тора

Пересоединение магнитных силовых линий в подфотосферных слоях приполярных областей Красные кружки вблизи полюсов – области пере- соединений сближенных магнитных силовых линий, имеющих здесь различное направление

Переполюсовка и замыкание магнитного цикла Верхний тор вышел из фотосферы и далее он станет поворачиваться относительно оси, перпендикулярной картинной плоскости – происходит поворот всего гелиосферного токового слоя! (Но это – отдельная песня!) Снизу (справа от тороида, под который было затянуто поле) после пересоединения в районе экватора сближаю- щихся магнитных островов формируется второй, нижний «банан», т.е. мы возвращаемся к исходной конфигурации, магнитный цикл замыкается!!

Как может «выключаться» пятенная активность? Если циркуляция на Солнце ослабевает и не происходит пересоединения «бананов» вблизи экваториальной плоскости, то в каждом полушарии остаются независимые, несцепленные друг с другом магнитные тороиды. Перемещение такой замкнутой магнитной структуры к полюсу и ее «нырок» вниз совершается легко, быстро, без разрыва и пересоединения. Замкнутые магнитные структуры начинают циркулировать «вхолостую», каждая в своем полушарии. Тороидальный поток из вдвое более коротких полоидальных м.с. линий накручивается дифвращением менее интенсивно, и на поверхность Солнца м. поле почти не выходит

Минимум Маундера? Половинки магнитных «бананов» циркулируют, «кувыркаются» в каждом полушарии независимо – отсюда большая асимметрия в СА и слабый выход поля наружу – мало пятен - минимум Маундера…

Выводы Соединение диффузионной модели цикла с действием меридиональной циркуляции позволяет решить проблему циклической возобновляемости полоидального магнитного поля! Это – шаг вперед. Есть возможность понять физическую причину «выключения» солнечного цикла – минимум типа маундеровского. Проблема сейчас – в адекватном математическом описании изложенной феноменологической картины. Предложенные подходы дают надежду на более глубокое понимание механизма солнечной цикличности…

Спасибо за внимание!