Астрометрическое наблюдение Солнца относительно Земли

В связи с неравномерным движением вещества на Солнце различные его зоны вращаются вокруг оси с различными периодами. Для точек экватора сидерический период составляет 25 суток, а в близи полюсов он достигает 30 суток. Вследствие движения Земли вокруг Солнца его вращение представляется земному наблюдателю несколько замедленным: период вращения на экваторе составляет 27 суток, а у полюсов – 32 суток (синодический период вращения).

Поскольку Солнце вращается не как твёрдое тело, систему гелиографических координат нельзя жёстко связать со всеми точками поверхности. Условно гелиографические меридианы жёстко связываются с точками, имеющими географические широты В= ±16°. Для них сидерический период обращения составляет 25,38 суток, а синодический равен 27,28 суток. За начальный гелиографический меридиан принят тот, который 1 января 1954 года в 0^h по всемирному времени проходил через точку пересечения солнечного экватора с эклиптикой.[6]

2. Межпланетная секторная структура

Конфигурация межпланетных магнитных полей (ММП) подобна спирали Архимеда. Вектор магнитного поля В имеет радиальную компоненту В_r, направленную либо внутрь, либо наружу (к Солнцу или от Солнца), и азимутальную компоненту В_φ. Межпланетное пространство разделено на чередующиеся спиральные сектора, в каждом из которых

радиальная компонента направлена либо наружу, либо внутрь (рис.3). Эта секторная структура вращается вместе с Солнцем. По данным наблюдений межпланетных полей (с помощью ракет) период вращения Солнца может быть подразделён на несколько субпериодов, каждый продолжительностью в несколько суток, в течение которых радиальная компонента направлена преимущественно наружу или внутрь. Такая последовательность субпериодов может наблюдаться в продолжении нескольких оборотов Солнца, свидетельствуя о высокой степени стабильности секторной структуры. СВ движется наружу так, как если бы магнитного поля не было. В системе отсчёта, жёстко связанной с Солнцем, магнитные силовые линии параллельны или антипараллельны направлению СВ.

В пределах каждого сектора скорость СВ и плотность частиц систематически изменяется (рис.4).

Ракетные наблюдения показывают, резкое увеличение данных параметров на границе сектора. Однако плотность очень быстро уменьшается в конце второго дня после прохождения границ, а затем дня через 2 или 3 начинает медленно расти. Скорость СВ уменьшается медленно на 2 или 3 день после достижения пика. Секторная структура и отмеченные вариации скорости и плотности тесно связаны с умеренной магнитосферными возмущениями Солнца.

Вилкокс и Несс, сравнив наблюдаемую межпланетную секторную структуру (МСС) с конфигурацией фотосферных магнитных полей, заключили, что фотосферные магнитные поля, находящиеся в поясе гелиографической широты 15°, вытягиваются наружу СВ, образовывая устойчивые и долго живущие крупномасштабные поля малой напряжённости, существующее с другими магнитными полями. Бартельс назвал этот тип гидромагнитной активности М-возмущениями; СВ, ответственный за него, называется М-потоком, а его источник на поверхности Солнца – М-областью. Граница между двумя полярностями М-области проходит приблизительно с севера на юг и полярность не изменяется при пересечении экватора (рис.5).[9]

Рис.5 Схематическое среднее расположение границы солнечного фотосферного сектора в течении 1965г.

К развитию нового сектора приводит рост центра активности: на уровне фотосферы вызывает перераспределение магнитного поля и картины потоков СВ.

М-области часто не содержат солнечных пятен, т.к. стремятся избегать области повышенного коронарного излучения.

МСС существует даже во время самого спокойного периода 11-летнего цикла солнечной активности. Внутри каждой секторной структуры ее характеристики (скорость, концентрация и напряженность ММП) систематически изменяются, и достигают своих максимальных значений вблизи ведущей границы сектора. Следовательно, ведущий фронт (кривая Т на рис.7) создает радиальную силу на тыловой стороне секторной структуры (впереди неё). Такое взаимодействие может сформировать в секторной структуре ударную волну (кривая S на рис.7). Вследствие чего ведущие границы МСС имеют характеристики тангенциального разрыва.

Секторная структура довольно устойчива, поэтому вся структура потока вращается с Солнцем по крайне мере в течении нескольких солнечных оборотов, проходя над Землей приблизительно через каждые 27 дней, что объясняло тенденцию геомагнитных возмущений к повторению. Таким образом, структуры внутри каждого сектора вызывают возмущения в магнитосфере. Однако, Хейл обнаружил, что особенно сильные магнитные бури, не показывающие 27-дневной повторяемости. Отсутствие повторяемости объясняется тем, что вспышки – явление кратковременное и сравнительно редкое. Через несколько минут после начала вспышки магнитное поле Земли «вздрагивает», наблюдается внезапное, очень резкое и сравнительно небольшое его изменение. Эти «магнитные крючки» вызваны непостедственным действием излучения вспышки на магнитное поле Земли.

 Исследования распределения международных спокойных дней (Q) и международных возмущённых дней (D) в зависимости от прохождения через центральный меридиан. (СМР) показали заметный максимум Q – дней примерно через 3 дня после СМР активных областей. Что обнаружило существования «конуса избегания» над центром активности, который достигает Земли через 2,5 – 3 дня после СМР. Таким образом, периодическая магнитная активность обусловлена М-потоками, собирающихся в пучки отклоняющим действием активных областей.

Геомагнитная активность имеет годовые пики вблизи точек равноденствий, вызванные прохождением Земли на минимально возможной гелиографической широте (7° от солнечного экватора), т.е. вектор потока солнечной плазмы по отношению Земле является важной характеристикой степени геомагнитной активности. Исходя из этого, можно ожидать зависимость геомагнитной активности от всемирного времени, учитывая, что воздействие Солнца на Землю переносится СВ с запаздыванием на 4-5 суток.[7]

Магнитное поле Земли

Из-за идеальной проводимости плазмы солнечного ветра магнитные силовые линии земного диполя не могут проникнуть в натекающий солнечный ветер и образует в первом приближении пустую магнитную полость около Земли – магнитосферу. В этом же приближении формы магнитосферы определяются балансом динамичного давления солнечного ветра и давлением магнитного поля Земли.

Магнитосфера представляет собой «тупое» препятствие для сверхзвукового СВ, и перед ней на расстоянии 13-17R_з от центра Земли образуется отошедшая бесстолкновительная ударная волна (на рис. 1 показана ближайшей к Солнцу поверхностью), отклоняющая поток солнечной плазмы — обтекает магнитосферу. Передача энергии и импульса СВ в магнитосфере происходит лишь благодаря диссипативным процессам, а в отсутствие последних плазма и поля внутри магнитосферы находятся в статич. равновесии.

Несмотря на то, что плотность энергии межпланетного магн. поля (магнитное поле, вмороженное в плазму СВ) составляет всего 1% от плотности кинетической энергии СВ на орбите Земли, процессы пересоединения межпланетных и земных магнитных силовых линий существенно определяют структуру и динамику магнитосферы. Пересоединение происходит в небольшой области магнитосферы, где благодаря развитию плазменных неустойчивостей возрастает сопротивление плазмы, что нарушает вмороженность магнитных силовых линий в плазму. Это позволяет межпланетным и земным силовым линиям «разорваться» и «пересоединиться» между собой (см. рис.9). Наиболее благоприятной для протекания этих процессов является ситуация, когда межпланетное магнитное поле (ММП) антипараллельно земному магнитному полю в подсолнечной точке магнитопаузы. СВ увлекает пересоединённые силовые линии магнитного поля Земли, которые за тем образуют протяжённый магнитный шлейф – хвост магнитосферы.