CC BY
30
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК: 53.01
В. И. Козлов
Основания прогноза активности солнца на базе мониторинга космических лучей
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск, Россия
Аннотация. Термин «космическая погода» означает состояние околоземного космического пространства в данное время или за определенный временной интервал. Так же как и в случае обычной погоды, наибольший интерес представляет возможное воздействие космической погоды на самого человека и среду его обитания. Установлено, что нелокальные свойства замагниченной среды, проявляющиеся в коррелированности флуктуаций космических лучей в окрестности ударной волны, могут быть использованы для ее прогноза с заблаговременностью ~1 сутки, а на больших масштабах и активной фазы солнечного цикла с заблаговременностью порядка ~1 оборота Солнца. Это обусловлено тем, что предвестник в космических лучах является индикатором начала перестройки магнитного поля на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла. Более того, космические лучи могут дать ценную информацию и о возможном развитии 11-летнего цикла на несколько лет вперед: так в 2006 г. нами был сделан вывод о грядущем сбое 11-летней цикличности. Сейчас это свершившийся факт. Гипотеза о постоянстве площади «фазового портрета» 22-летнего цикла, т. е. наличие инварианта 22-летнего цикла, позволяет с единых позиций описывать как локальные, так и глобальные сбои 11-летней цикличности, на основе чего дан предварительный прогноз восстановления 11-летней цикличности в 25-м цикле (2020-2030 гг.). В этом случае сбой 11-летней цикличности в 23-24 циклах будет иметь статус локального сбоя. Нарушение инварианта 22-летнего цикла (в случае не восстановления 11-летней цикличности в 25 цикле) будет означать изменение статуса сбоя 11-летней цикличности в 23-24-25 циклах с локального на глобальный: пониженный уровень светимости Солнца и, как следствие, срыв режима регуляции энергии (автоколебаний) в конвективной зоне Солнца со всеми вытекающими отсюда последствиями, в частности, многолетнего повышения радиационного фона космических лучей высоких энергий и, соответственно, повышение облачности и последующей интенсификации конвективных процессов в атмосфере, сопровождающейся увеличением количества осадков и понижением температуры в планетарном масштабе.
Ключевые слова: космические лучи, флуктуации интенсивности космических лучей, 11-летний солнечный цикл, амплитуда цикла, длительность цикла, предвестник сбоя, переходный режим, индекс мерцаний космических лучей, прогноз космической погоды, распределение Вейбулла-Гнеденко.
Козлов Валерий Игнатьевич - д. физ.-мат. н., в. н. с. лаборатории теории космической плазмы Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г Шафера СО РАН. E-mail: [email protected]
KOzLOV Valeriy Ignatevich - Doctor of physics, Leading Researcher, Space Plasma Theory Laboratory, Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS (SHICRA SB RAS).
Благодарности
Автор выражает свою благодарность Илье Усоскину, Университет г. Оулу, геофизическая обсерватория Соданкила (Финляндия, http://cosmicrays.oulu.fi/) за любезно предоставленные кондиционные 5-минутные данные измерений нейтронного монитора ст. Оулу.
Автор считает своим долгом отметить важность вклада сотрудника Лаборатории теории космической плазмы ИКФИА Плотникова Игоря Яковлевича, к нашему глубокому сожалению, рано ушедшего из жизни, в анализ данных измерений параметров солнечного ветра, а также в программную реализацию и проведение расчетов «фазовых портретов» солнечных циклов методом аналитического сигнала на комплексной фазовой плоскости.
Эта работа поддержана Министерством образования и науки Российской Федерации и Сибирским отделением Российской академии наук (Проект 11.16.2.2.).
DOI 10.25587/SVFU.2018.68.21802
V. I. Kozlov
Basis of the Solar Activity Forecast Based on Cosmic Ray Monitoring
Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS, Yakutsk, Russia
Abstract. The term "space weather" refers to the state of near-earth space at a given time or over a specified time interval. In the same way as in case of normal weather, the most interest is the potential impact of Space Weather on man and his environment. It is found that the non-local properties of the magnetized medium, manifested in the correlation of cosmic ray fluctuations in the vicinity of the shock wave, can be used for its prediction with a lead time of ~1 day, and on large scales and the active phase of the solar cycle with a lead time of about ~1 revolution of the Sun. This is due to the fact that the precursor in cosmic rays is an indicator of the beginning of the adjustment of the magnetic field in the transition mode to the active phase of the solar cycle. Moreover, cosmic rays can provide valuable information about the possible development of the 11-year cycle for several years ahead: in 2006, we concluded that the 11-year cycle would fail. Now, that's a fait accompli. The hypothesis of the constancy of the area of the "phase portrait" of the 22-year cycle, i.e. the presence of the invariant of the 22-year cycle allows to describe both local and global failures of the 11-year cycle from a single position. On the basis of what the preliminary forecast of recovery of 11-year cyclicity in the 25 cycle (2020-2030) is given. In this case, failure of the 11-year cyclicity in the cycles 23-24 will have the status of a local failure. Violation of the invariant of the 22-year cycle (in case of non-restoration of the 11-year cycle in the 25 cycle) will mean a change in the status of failure of the 11 - year cycle in the 23-24-25 cycles from local to global: a reduced level Of solar luminosity and, as a consequence-the failure of the energy regulation regime (self-oscillations) in the convective zone of the Sun with all the ensuing consequences. In particular, the long - term increase in the background radiation of high-energy cosmic rays and, accordingly, the increase in cloudiness and subsequent intensification of convective processes in the atmosphere, accompanied by an increase in precipitation and a decrease in temperature on a planetary scale.
Keywords: Cosmic rays, fluctuations of cosmic ray intensity, the 11-year solar cycle, amplitude of cycle, cycle duration, a harbinger of the failure, the transitional regime, the index of scintillations of cosmic rays, Space Weather forecast, the distribution of Weibull-Gnedenko.
Acknowledgements
Author would like to express gratitude to Ilya Usoskin of the Oulu University Sodankyla Geophysical Observatory (Finland, http://cosmicrays.oulu.fi) for the presented conditioned 5-minute data of the Oulu station neutron monitor measurements.
Author has the honor to state the importance of the contribution made by the late Igor Yakovlevich Plotnikov, specialist of the Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy Theory of cosmic plasma laboratory, into the analysis of solar wind parameters measurements, as well as into the program actualization and calculation of the "phase portraits" of the solar cycles by the method of analytic signal on complex phase surface.
The research was conducted with the support of the Russian Federation Ministry of education and science and Siberian branch of the Russian Academy of Sciences (Project II. 16.2.2.).
Введение
Поведение флуктуаций интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ) на больших масштабах усреднения представляет большой интерес с различных точек зрения. Во-первых, это важно при изучении переходного режима к активной фазе солнечного цикла, выявление и изучение которого и является основной целью этой работы. Заблаговременное обнаружение подобного переходного режима могло бы решить практически важную задачу прогнозирования активной фазы солнечного цикла.
Время от времени в литературе обсуждается проблема, описывается ли поведение солнечной активности малоразмерным аттрактором? В работе [1] утвердительного ответа на этот вопрос получено не было. Возможно, это связано с низкой информативностью чисел Вольфа. Так, в [2] было отмечено, что числа Вольфа (из-за специфического правила их подсчета) вряд ли могут быть гладкой функцией истинной динамической переменной. Правдоподобная оценка корреляционной (фрактальной) размерности за цикл солнечной активности (СА) была получена по индексу мерцаний космических лучей [3, 4]. Ни по числам Вольфа, ни по интенсивности ГКЛ корректную оценку корреляционной размерности получить не удавалось.
Таким образом, поведение солнечной активности в 11-летнем цикле если и описывается малоразмерным аттрактором, то лишь на геоэффективной фазе инверсии магнитного поля Солнца. Именно на это указывает выход зависимости корреляционной (фрактальной) размерности на плато 0=2,5-3), причем для разных циклов [4]. С точки зрения теоретического обоснования прогноза активной фазы солнечного цикла, полученное нами низкое и конечное значение корреляционной размерности играет роль своеобразной «теоремы существования». Напротив, в окрестности фазы минимума 11-летнего цикла (1985-1987 гг.) процесс существенно хаотический, т. е. d(n)~n со всеми вытекающими отсюда последствиями. Очевидно, смешение различных режимов (геоэффективной фазы роста и спада предыдущего и латентной фазы нового цикла) и дает традиционно завышенную оценку фрактальной размерности 0=4) за цикл в целом [4].
Выявление малоразмерного процесса в вариациях индекса мерцаний ГКЛ является, очевидно, указанием на принципиальную возможность прогноза периодов максимальной спорадической активности Солнца. Фаза завершения инверсии общего магнитного поля Солнца как наиболее геоэффективная представляет интерес в плане прогноза экстремальных проявлений космической погоды. Вывод о принципиальной возможности прогноза активной фазы солнечного цикла, сделанный нами исходя из полученной выше низкой и конечной величины корреляционной размерности, был достаточно подробно прокомментирован в соответствующем разделе монографии [5], посвященном теме фракталов в космосе.
Метод
Представляется, что наиболее полная информация о процессе содержится в обычной гистограмме исходных данных, частотной или интегральной. Остается лишь выделить из шумоподобного сигнала потенциально возможный регулярный сигнал. Естественно, что потенциально возможный полезный сигнал может содержаться во втором и последующих моментах функции распределения интенсивности ГКЛ. На это указывает оценка коэффициента асимметрии, приведенная на рис. 1 для 10 оборотов Солнца: с марта по декабрь 2003 г. (солнечные обороты №№ 2316-2325, по системе Бартельса).
Большая величина коэффициента взаимной корреляции R=0,93 между введенным коэффициентом асимметрии и интенсивностью ГКЛ указывает на хорошую связь между ними. Обороты 2323-2324 приходятся на период экстремальной активности в октябре-ноябре 2003 г. Предшествующие активной фазе 7 оборотов Солнца (№№ 2316-2322) отнесены, пока условно, к переходному режиму солнечного ветра. Как следует из результатов расчета, положительные значения коэффициента асимметрии
регистрируются лишь однажды: на обороте 2322, который предшествует оборотам 2323-2324 с экстремальной активностью.
Положительные значения коэффициента асимметрии означают сдвиг максимума частотной гистограммы в сторону больших значений флуктуаций интенсивности ГКЛ, в отличие от отрицательных значений коэффициента асимметрии, регистрируемых в течение активной фазы (обороты 2323-2324). В этом смысле только один солнечный оборот № 2322 (сентябрь 2003 г.) можно отнести к реальному переходному режиму к активной фазе солнечного цикла, которая пришлась на октябрь-ноябрь 2003 г. С другой стороны, желательно было бы отделить изменения формы частотной гистограммы от изменений масштаба.
В итоге выбор методологии изучения переходных режимов солнечного ветра определился нижеследующими результатами. По часовым значениям интенсивности ГКЛ ст. Оулу (Финляндия) за 45 лет с 1968-2012 гг. определялось число «событий» (понижений интенсивности ГКЛ) фиксированной амплитуды. Так был выявлен степенной характер распределения числа событий в зависимости от их амплитуды (рис. 2). Этот вывод согласуется с результатом, полученным ранее в [6], что подтверждается близостью степенных показателей: «-1,60» для рентгеновских вспышек и «-1,56» в космических лучах.
События в рентгене отражают активность в источнике на Солнце, а события в космических лучах отражают проявление той же самой активности в верхней короне Солнца и далее в межпланетном магнитном поле. Степенная зависимость указывает обычно на отсутствие выделенного, т. е. «характерного» масштаба явления. Очевидно, в этом случае имеет место иерархия масштабов событий: число любых, произвольно взятых событий на Солнце будет всегда больше числа более мощных, по сравнению с ними, событий. Само же наличие степенной зависимости - это, как известно, признак того, что динамическая система находится в нетривиальном состоянии «самоорганизованной критичности», когда весьма нерегулярно, т. е. катастрофически (что существенно осложняет прогноз) стравливается избыток запасенной в системе энергии [7, 8]. Действительно, следствием степенных распределений с величиной показателя степени т<2, описывающих динамическую систему в состоянии «самоорганизованной критичности», является склонность ее к катастрофам [9].
Словосочетание «существенно осложняет прогноз» в более категоричной форме может означать и принципиальную непредсказуемость природных катастроф. Даже если это так, то у нас, тем не менее, имеется возможность их упредить, используя мониторинг состояния среды с целью ранней диагностики катастроф, что обязывает нас, образно говоря, постоянно «держать руку на пульсе». Осознание этого и определило необходимость разработки и создания системы наземного мониторинга космических лучей в обсерватории Тикси в 1981 г. [10]. Ниже предлагается подход, который в некоторой степени решает проблему «прогноза», точнее, ранней диагностики природных катастроф, в частности, ранней диагностики периодов экстремальной активности Солнца, т. е. обнаружение по космическим лучам переходного режима к активной фазе солнечного цикла.
С другой стороны, из теории разрушения сплошных сред (и теории надежности) известно, что адекватное описание выхода системы на предельный критический режим перед условной «катастрофой» дает обобщенное распределение Вейбулла-Гнеденко [11]. «Зарождением» таковой катастрофы можно считать ситуацию, возникающую на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла. Из той же вероятностной теории разрушения сплошных сред известно, что максимум функции риска есть, по сути, вероятность достижения критического значения анализируемой переменной, в нашем случае - измеряемой интенсивности ГКЛ. Указанная вероятность есть степень когерентности процесса или коррелированности флуктуаций космических лучей
С
6000 5900 5800 5700 5600 5500 5400 5300
в-Ч а--"**"®-Ц* \ / Л А
\ **
\ / *
1 у (
\ / 1 '
° 1
2316 2317 2318 2319 2320 2321 2322 2323 2324 2325
0,5 0
-0,5 -1
-1,5 -2
-2,5 -3
-3,5
5
5
и <
IX
ф
=Г 5 ■в" ■9"
Л
о
Номера оборотов Солнца (по системе Бартельса)
Рис. 1. Оценка коэффициента асимметрии по 7776 значениям интенсивности космических
лучей в каждом обороте Солнца, начиная с №№ 2316-2325 (28.03.2003-22.12.2003 гг). По оси ординат: шкала слева - значения интенсивности космических лучей в импульсах; шкала справа - величина коэффициента асимметрии в относительных единицах. По оси абсцисс - время: отложены порядковые номера оборотов Солнца (по системе Бартельса)
на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла. Это позволяет выделить коррелированный сигнал-предвестник из Гауссова шума: Гауссов шум содержится, проще говоря, в «линейной» части функции риска, а искомый сигнал-предвестник - в нелинейной. Искомая нелинейная компонента сигнала-предвестника формируется при превышении степени (вероятности) коррелированности процесса критического значения, т. е. при Р>Ркр.
Ниже приведены результаты расчета функции риска применительно к реальным данным в уже известный период экстремальной активности Солнца в октябре-ноябре 2003 г. (солнечные обороты 2323-2324). В это время была зарегистрирована целая серия наиболее экстремальных событий солнечного цикла 23. Расчет функции риска проводился за 7 оборотов Солнца: за 5 предшествующих оборотов 2318-2322 и далее за обороты 2323-2324, т. е. уже непосредственно в течение активной фазы солнечного цикла. Как следует из результатов расчета, значимые (Р>0,5) значения максимума функции риска регистрируются на оборотах 2320-2321 (рис. 3). В этой связи интервал времени, приходящийся на обороты 2320-2321, в течение которых были зарегистрированы предвестники, определяется нами как переходный режим к активной фазе солнечного цикла, имевшей место на оборотах 2323-2324. Предвестник в космических лучах в данном случае регистрируется за 1-2 солнечных оборота до начала активной фазы, в отличие от случая использования для этой цели коэффициента асимметрии, когда переходный режим был выявлен только за 1 оборот Солнца до начала активной фазы (рис. 1). Эти результаты указывают на большую эффективность предложенного способа выявления предвестника активной фазы солнечного цикла по сравнению с использованием для этой же цели коэффициента асимметрии.
Идентификация по космическим лучам переходного режима к активной фазе солнечного цикла
Приведенные выше результаты тестирования предложенного способа на примере известных событий в октябре-ноябре 2003 г. указывают на прогностические (и
Рис. 2. Степенной закон зависимости числа событий в интенсивности ГКЛ от их амплитуды, по часовым данным ст. Оулу (Финляндия) за период 45 лет с 1968-2012 гг. По оси ординат - натуральные логарифмы числа событий, по оси абсцисс - натуральные логарифмы амплитуд соответствующих событий. «Событие» -понижение интенсивности ГКЛ в процентах. Величина показателя степени: «-1,56»
Рис. 3. Расчет функции риска или вероятности (ось ординат, шкала слева) наступления «события», исходя из распределения Вейбулла-Гнеденко. По оси абсцисс - 27-дневные значения интенсивности
космических лучей для каждого оборота Солнца. На оборотах 2320-2321, т. е. за 1-2 оборота до начала фазы роста активности Солнца в октябре-ноябре 2003 г. (обороты 2323-2324) регистрируются значимые (Р>0,5) значения вероятности или предвестники начала активной фазы солнечного цикла
диагностические тоже) возможности параметра флуктуаций, рассчитанного на основе функции риска распределения Вейбулла-Гнеденко. На рис. 4 представлены результаты среднесрочного мониторинга космических лучей за период 1999-2016 гг. Для анализа вариаций параметра с периодами от полугода и более был исключен низкочастотный тренд, который представляет собой фактически 11-летнюю вариацию.
Предвестники активных фаз 24-го цикла были зарегистрированы в нижеследующие моменты времени. Предвестник начала 24-го цикла - на обороте 2407: декабрь 2009 г.,
ПРОГНОЗ АКТИВНОЙ ФАЗЫ 24 ЦИКЛА Max. SA 23 cycle min. SA Max. SA! 24 cycle
ооооооооооооо
СОСООСЧ-*Г<0СООСЧ*1-СОСОО сдсдсчсчсчсмсмсмсмгчсчсмсм Номера 27-дневных оборотов Солнца, по системе Бартельса
ОТООООООООООт-т-т-т-т-т-т-т-т-
оооооооооооооооооооо т-с\1с\|смсчсчс\1счсчс\1гмсчс\]с\|с\|с\]счс\1с\|сч
ВРЕМЯ, годы
Рис. 4. Пунктирная кривая - 27-дневные значения интенсивности ГКЛ с 1999-2017 гг., шкала справа. Сплошная кривая - соответствующие значения параметра флуктуаций ГКЛ, шкала слева. Показан 90%-й уровень значимости. Предвестники: начало 24-го цикла
показано точечной стрелкой, фазы роста текущего цикла - сплошной стрелкой черного цвета, фазы максимума 24-го цикла - сплошной стрелкой красного цвета, завершение фазы переполюсовки - пунктирной стрелкой синего цвета, геоэффективной фазы начала ветви спада - сплошной стрелкой синего цвета. низкие значения параметра флуктуаций в 2011-2012 и в 2014-2015 гг. (заключены в овал) означают диагностику активных фаз солнечного цикла
точечная стрелка черного цвета. Предвестник фазы роста - на обороте 2421: январь 2011 г., сплошная стрелка черного цвета. Предвестник фазы максимума 24-го цикла был зарегистрирован на оборотах 2434: январь 2012 г., стрелка красного цвета. Результаты по прогнозу активных фаз текущего солнечного цикла: начало цикла, фаза роста и фаза максимума были доложены на конференции в ИКИ РАН в феврале 2012 г. Предвестник фазы завершения инверсии магнитного поля зарегистрирован на обороте 2449 в начале 2013 г. (точечная стрелка синего цвета на рис. 4). Предвестник начала геоэффективной фазы спада был зарегистрирован на обороте 2469: июль 2014 г., сплошная стрелка синего цвета на том же рисунке.
Двойной стрелкой на рис. 4 представлен предвестник необычной активизации солнечной активности в окрестности фазы минимума текущего солнечного цикла 24 в июле-сентябре 2017 г. (обороты 2509-2511). Очевидно, что интервал времени, приходящийся на обороты 2504-2508 (с третьей декады февраля по июнь 2017 г.), представляет собой переходный режим к необычно активной фазе текущего 24-го цикла. Действительно, в июле и сентябре 2017 г. были зарегистрированы большие (~7%) эффекты Форбуша и геомагнитные бури, которые и обусловили резкое и глубокое понижение в 27-дневных значениях интенсивности ГКЛ на оборотах 2509-2511 (см. рис. 4).
Низкие значения параметра флуктуаций ГКЛ (заключенные в овал на рис. 4), регистрируемые после предвестников на фоне низких значений интенсивности космических лучей, означают диагностику прогнозируемых фаз солнечного цикла. В частности,
+ +
Л л .. / К
/V У ; / ч
ст. Оулу
О 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Время, число оборотов Солнца Глобальный спектр
1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
<
Время, число оборотов Солнца
Рис. 5. Результаты вейвлет-анализа тонкой структуры параметра флуктуаций космических лучей в 23-м цикле и в начале 24-го цикла. В окрестности переполюсовки доминируют традиционная нестационарная полугодовая вариация. В минимуме нечетного 23-го цикла с отрицательным знаком общего магнитного поля Солнца доминирует годовая осцилляция. На стадии фазы переполюсовки 24-го цикла доминирует необычная годовая вариация. Справа - глобальный спектр в целом. В нижней части рисунка - амплитуда огибающей вариаций. По оси абсцисс - время, число солнечных оборотов
фаза максимума спорадической активности: обороты 2437-2442 (март - июль 2012 г.). Геоэффективная фаза начала спада текущего цикла: обороты 2471-2479 (сентябрь 2014 - март 2015). Таким образом, введенный параметр флуктуаций космических лучей позволяет с заблаговременностью порядка ~1 оборота Солнца дать среднесрочный прогноз активных фаз 11-летнего солнечного цикла: начало цикла, фазы роста и максимума текущего цикла, фазы завершения инверсии поля, а также геоэффективной фазы начала ветви спада текущего цикла 24 (http://www.forshock.ru/predlong.html).
Следует отметить, что моменты регистрации предвестников в космических лучах совпадают с началом перестроек магнитного поля в комплексах активности на Солнце. Это следовало из результатов сопоставления моментов регистрации предвестников в космических лучах и результатов солнечных наблюдений, представленных в работе [12]. Перестройки магнитного поля наблюдались на фазах роста и спада обоих максимумов (зарегистрированных в среднегодовых значениях чисел Вольфа в 2012 и 2014 гг.), т. е. на фазах их максимальной изменчивости. Таким образом, можно сделать предварительный вывод, что предвестник в космических лучах является индикатором перестройки магнитного поля Солнца на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла.
Переходный колебательный процесс инверсии магнитного поля солнца в космических лучах
Как следует из полученных результатов, наибольшего размаха вариации параметра флуктуаций ГКЛ достигают в окрестности максимума и на геоэффективной фазе начала ветви спада 11-летнего цикла (рис. 4). Для изучения динамики вариаций параметра флуктуаций ГКЛ в течение солнечного цикла удобно воспользоваться методом вейвлет-анализа вариаций. Результаты такого анализа приведены ниже на рис. 5. В минимуме 23-го цикла (с отрицательным знаком общего магнитного поля Солнца) явно выражена годовая вариация. Доминирование годовой вариации в минимуме 11-летнего цикла с отрицательным знаком общего магнитного поля Солнца согласуется с выводами, вытекающими из модели 11-летнего цикла, развиваемой академиком Г. Ф. Крымским [13].
Рис. 6. Сопоставление 27-дневных значений интенсивности ГКЛ (пунктирная кривая) и напряженности межпланетного магнитного поля (сплошная кривая) по данным космического аппарата АСЕ /12/, в 23-24-м циклах солнечной активности: 1997-2014 гг. Предвестники в космических лучах показаны вертикальными стрелками. Все предвестники предшествуют глобальным максимумам в напряженности магнитного поля. Как в параметре флуктуаций ГКЛ, так и в напряженности магнитного поля регистрируется годовая вариация
В максимуме цикла и на геоэффективной фазе начала ветви спада, как правило, доминирует нестационарная полугодовая вариация (рис. 5). Нестационарная полугодовая вариация в окрестности максимума солнечного цикла обусловлена, по нашим представлениям, переходным колебательным процессом смены знака или инверсии общего магнитного поля Солнца. Переходный колебательный процесс переполюсовки в окрестности максимума нового 24-го цикла характеризуется не нестационарной полугодовой вариацией (как это было в циклах 21-23), а вариацией с характерным масштабом ~1 год. Это согласуется с современными данными солнечных наблюдений [14, 15], где отмечается квазипериодическая или «импульсная» структура фазы роста нового 24 цикла с периодом ~1 год.
Чтобы убедиться в том, что местоположение предвестников в космических лучах отражает реальную ситуацию в межпланетной среде, ниже проведен совместный анализ интенсивности космических лучей и параметров солнечного ветра: изменчивости (дисперсии) ММП, скорости солнечного ветра и потока низкоэнергичных протонов с энергией ~1 МэВ. Для анализа использовались результаты прямых измерений на космическом аппарате АСЕ [16]. Действительно, на фазе роста и в окрестности максимума нового 24-го цикла заметно выражена годовая вариация дисперсии ММП (рис. 6) и скорости плазмы солнечного ветра (рис. 7).
Это совпадает с годовой в среднем периодичностью регистрации предвестников, зарегистрированных нами в анализируемый период. Следовательно, можно сделать вывод, что предвестник в космических лучах является индикатором перестройки магнитного поля Солнца на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла. Местоположение максимума спорадической активности 24-го цикла подтверждается регистрацией максимума потока низкоэнергичных частиц с энергией ~1 МэВ весной-летом 2012 г.
Рис. 7. Сопоставление 27-дневных значений интенсивности ГКЛ (пунктирная кривая) и скорости солнечного ветра (сплошная кривая), по данным космического аппарата АСЕ /12/, в 23-24 циклах солнечной активности: 1997-2014 гг. Предвестники в космических лучах показаны вертикальными стрелками. Все предвестники предшествуют глобальным максимумам в скорости солнечного ветра. И в параметре флуктуаций ГКЛ и в скорости солнечного ветра регистрируется годовая вариация
Рис. 8. Сопоставление 27-дневных значений интенсивности ГКЛ (пунктирная кривая) и величины потока низкоэнергичных протонов с энергий ~1 МэВ ветра (сплошная кривая), по данным космического аппарата АСЕ /12/, в 23-24 циклах солнечной активности 1997-2014 гг. Предвестники в космических лучах показаны вертикальными стрелками
(рис. 8). Таким образом, данные прямых измерений на космических аппаратах подтверждают наличие годовой «волны переполюсовки» в текущем 24-м цикле и местоположение максимума спорадической активности весной-летом 2012 г.
В итоге было установлено, что чем выше амплитуда цикла в максимуме, тем короче длительность процесса переполюсовки, после завершения которой начинается восстановление интенсивности ГКЛ. И, наоборот, чем ниже амплитуда цикла, тем
Рис. 9. «Индекс мультиплетности» солнечного магнитного поля, открытые кружки - шкала слева и параметр флуктуаций космических лучей - шкала справа (синяя кривая). По оси абсцисс - время, число солнечных оборотов с (1977-2008 гг.). Показаны номера циклов, условно отмечены периоды смены знака общего магнитного поля Солнца. Огибающая вариаций параметра флуктуаций космических лучей и «индекса мультиплетности» достигают максимума практически одновременно
продолжительнее фаза переполюсовки. Действительно, длительность процесса инверсии поля для «низких» циклов (23 и 20) фактически вдвое превышает таковую для более «высоких» циклов 21 и 22 (рис. 9).
Выявленная по космическим лучам обратная зависимость длительности процесса инверсии поля от амплитуды цикла указывает на возможное наличие инварианта бинарной пары 11-летнего цикла «амплитуда - длительность». Кроме того, само по себе наличие переходного колебательного процесса смены знака общего магнитного поля Солнца позволяет с единых позиций объяснить так называемый «провал(ы) Гневышева» [17, 18], наблюдаемый в окрестности максимума 11-летнего цикла, в том числе и «квазидвухлетние», а также «полугодовые» вариации межпланетного магнитного поля [19].
Годовая вариация текущего 24-го цикла (рис. 5-7) является, очевидно, признаком его аномальности. Более «низкочастотная», т. е. годовая волна переполюсовки, означает большую длительность процесса инверсии также и в новом 24-м цикле. Из факта большей длительности процесса переполюсовки (с 2011-2013 гг.) и возможного наличия инварианта 11-летнего цикла следовало ожидать низкую амплитуду максимума (спорадической) активности текущего 24-го цикла, что и было зарегистрировано в марте-июле 2012 г. по данным интенсивности ГКЛ (рис. 4). Это, несомненно, аргумент в пользу гипотезы об инвариантности бинарной связи «амплитуда - длительность» 11-летнего цикла. Полученные нами результаты согласуются с результатами работы [20], где также была установлена обратная зависимость «времени между переполюсовками и амплитудой цикла».
Важно сравнить параметр флуктуаций ГКЛ с ключевым параметром модуляции к=ют, введенным в работе [21] для характеристики степени регулярности поля. Здесь ю - гирочастота частиц в регулярном магнитном поле, т - среднее время между актами рассеяния частиц. Параметр модуляции предполагается постоянным для всей гелиосферы и не зависящим от энергии частиц, хотя и будет меняться с циклом солнечной активности. Предположено, что величина параметра модуляции отражает отношение между напряженностью регулярного и турбулентного полей [21]. Регулярное
поле в период максимума много меньше турбулентного. Напротив, напряженность турбулентного поля максимальна во время максимума цикла: сначала она линейно растет со временем, достигая максимума во время переполюсовки и затем линейно уменьшается.
Связь параметра флуктуаций ГКЛ со степенью турбулентности магнитного поля Солнца следует из результатов сопоставления параметра ГКЛ с «показателем эффективности солнечного мультиполя», который отражает вклад квадрупольной компоненты солнечного магнитного поля. Этот показатель был введен в работах группы ИЗМИРАН [22, 23]. Он хорошо (R=0,83) коррелирует с основным параметром солнечной активности - числами Вольфа. Ниже проведено сопоставление параметра флуктуаций ГКЛ с «показателем эффективности солнечного мультиполя» ИЗМИРАН. Их сравнение показывает, что огибающие вариаций параметра флуктуаций ГКЛ и вариаций «показателя эффективности солнечного мультиполя» в среднем согласуются между собой (рис. 9), что подтверждается достаточно высоким (R=-0,77) значением коэффициента их кросс-корелляции, точнее - антикорелляции. Действительно, как следует из результатов анализа, приведенного в работе [24], вклад квадрупольной компоненты магнитного поля Солнца оказывается доминирующим в окрестности максимума солнечного цикла.
В этом смысле нестационарный колебательный процесс в космических лучах в окрестности максимума солнечного цикла (рис. 9) является индикатором переходного режима инверсии магнитного поля Солнца. Это подтверждается анализом флуктуирующей компоненты солнечного магнитного диполя за те же 3 цикла солнечной активности 21-23 [25]. Указанные авторы делают вывод, что во время инверсии поля компонента магнитного диполя не обращается в нуль. Она имеет флуктуирующую природу и потому не описывается в рамках традиционной теории динамо среднего поля: http://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2014/07/aa23319-13.pdf.
Заключение
1. Параметр флуктуаций космических лучей является индикатором степени турбулентности магнитного поля, меняющейся в течение солнечного цикла. Высокие значения параметра флуктуаций ГКЛ являются индикатором мелкомасштабной турбулентности магнитного поля на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла. Низкие значения параметра флуктуаций являются индикатором крупномасштабной структуры с относительно регулярным полем непосредственно во время активной фазы солнечного цикла.
2. По космическим лучам дан прогноз активной фазы 11-летнего цикла с заблаговременностью порядка ~1 оборота Солнца: http://www.forshock.ru/predlong.html. Это обусловлено тем, что предвестник в космических лучах является индикатором перестройки магнитного поля на переходном режиме к активной фазе солнечного цикла.
Л и т е р а т у р а
1. Carbonel M., Oliver L. And Ballester J. L. A Search for Chaotic Behavior in Solar Activity // Astronomy and Astrophys. - 1994. - Vol. 290. - N 3. - P. 983-994.
2. Михайлуца В. П., Фатьянов М. П. Размерность и структура солнечного аттрактора по значениям энергии магнитного поля Солнца в 21 цикле / Солнечные данные. - 1989. - № 11. - С. 109-116.
3 Козлов В. И. Масштабная инвариантность динамики флуктуаций космических лучей на геоэффективных фазах солнечного цикла // Геомагнетизм и аэрономия. - 1999. - Т. 39. - № 1. - С. 95-99.
4. Козлов В. И. Оценка скейлинговых свойств динамики флуктуаций космических лучей в цикле солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. - 1999. - Т. 39. - № 1. - С. 100-104.
5. Потапов А. А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. - М. МГУ: Изд-во ЛОГОС. - 2005.
- 848 с.
6. Dennis B. R. Solar hard X-ray bursts // Solar Physics. - 1985. - V. 100. - P. 465-490.
7. Bak P., Tang C., Wiesenfeld K. Self-organized criticality // Phys. Rev. V. - 1988. - Vol. 38. - N 1.
- p. 364-374.
8. Bak P. HOW NATURE WORKS. The science of self-organized criticality. - 1996. Springer-Verlag, New York, Inc.
9. Подлазов А. В., Осокин А. Р. Самоорганизованная критичность эруптивных процессов в солнечной плазме / Матем. моделирование. - 2002. - Т. 14. - № 2 - C. 118-126.
10. Kozlov V. I., Kozlov V. V. "ARRHYTHMIA of SUN. In cosmic rays". - 2016. Editor-in-chief Academician G.F. Krymsky. IKFIA SD RAS. Yakutsk. 200 p.
11. Айвазян С. А., Енюков И. С., Мешалкин И. Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. - М.: Изд-во Финансы и статистика. - 1983. -313 с.
12. Мордвинов А. В., Головко А. А., Язев С. А. Комплексы активности и инверсия магнитного поля на полюсах Солнца в текущем цикле // Солнечно-земная физика. - 2014. - Вып. 25. - С. 3-9.
13. Крымский Г. Ф., Кривошапкин П. А., Герасимова С. К., Григорьев В. Г., Мамрукова В. П. Модуляция космических лучей гелиосферным нейтральным слоем // Геомагнетизм и аэрономия. -2001. - Т. 41, - № 4. - С. 444-449.
14. Язев С. А. Комплексы активности на Солнце в 23 цикле активности // Солнечно-земная физика. - 2010. - Вып. 16. - С. 94-101.
15. Мордвинов А. В., Язев С. А., Лхагважав Ч., Батмунх Д. Комплексы активности и структура крупномасштабного магнитного поля Солнца в цикле 24 / Современная геодинамика и опасные природные процессы в центральной Азии. - 2011. - Вып. 7. - С. 10-15.
16. Данные прямых измерений на космическом аппарате АСЕ: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/ level2/
17. Обридко В. Н., Шельтинг Б. Д. Глобальная магнитология и опорные точки солнечного цикла // Астрономический журнал. - 2003. - Т. 80. - № 11. - С. 1034-1045.
18. Bazilevskaya G. A., Kraynev M. V., Makhmutov V. S., Sladkova A. I. Long-term changes in galactic cosmic ray variations caused by the solar rotation // Proceeding 24-th ICRC. - 1995. - Vol. 4. - P. 572-576.
19. Сарычев В. Т. Тренды и секторная структура межпланетного магнитного поля // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. - Т. 46. - № 3. - С. 309-316.
20. Тлатов А. Г. Трехкратная переполюсовка крупномасштабного магнитного поля Солнца в 24-м цикле активности и прогноз амплитуды 25-го цикла активности / Тезисы доклада на 9-й ежегодной конференции ИКИ «Физика плазмы в солнечной системе». - 2014. 10-14 февраля 2014. - С. 4.
21. Крымский Г. Ф., Кривошапкин П. А., Григорьев В. Г., Мамрукова В. П., Герасимова С. К. Гелиосферная модуляция интенсивности космических лучей высоких энергий. 1. Базовая модель модуляции космических лучей с циклом солнечной активности // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2007. - Т. 131. - Вып. 2. - С. 214-221.
22. Иванов Е. В., Обридко В. Н., Шельтинг Б. Д. Крупномасштабная структура солнечных магнитных полей и корональные выбросы массы // Астрономический журнал. - 1997. - Т. 74. - № 2.
- С. 273-277.
23. Ivanov E. V., Obridko V. N. The Cyclic Variations of the CME Velocity // Solar Phys. - 2001. - Vol. 198, - P. 179-196.
24. Sunderson T. R., Appourchaux T., Hoeksema J. T., Harvey K. L. Observations of the Sun's magnetic field during the recent solar maximum // J. Geophysical Res. - 2003. - V. 108. - No. A1. - P. 1035.
25. Pipin V. V., Moss D, Sokoloff D. and Hoeksema J. T. Reversals of the solar magnetic dipole in the light of observational data and simple dynamo models // Astronomy & Astrophysics. - 2014. - Volume 567,
- id.A90, - 8 pp.
R e f e r e n c e s
1. Carbonel M., Oliver L. And Ballester J. L. A Search for Chaotic Behavior in Solar Activity // Astronomy and Astrophys. - 1994. - Vol. 290. - N 3. - P. 983-994.
2. Mihajluca V. P., Fat'yanov M. P. Razmernost' i struktura solnechnogo attraktora po znacheniyam ehnergii magnitnogo polya Solnca v 21 cikle / Solnechnye dannye. - 1989. - № 11. - S. 109-116.
3 Kozlov V. I. Masshtabnaya invariantnost' dinamiki fluktuacij kosmicheskih luchej na geoehffektivnyh fazah solnechnogo cikla // Geomagnetizm i aehronomiya. - 1999. - T. 39. - № 1. - S. 95-99.
4. Kozlov V. I. Ocenka skejlingovyh svojstv dinamiki fluktuacij kosmicheskih luchej v cikle solnechnoj aktivnosti // Geomagnetizm i aehronomiya. - 1999. - T. 39. - № 1. - S. 100-104.
5. Potapov A. A. Fraktaly v radiofizike i radiolokacii. - M. MGU: Izd-vo LOGOS. - 2005. - 848 s.
6. Dennis B. R. Solar hard X-ray bursts // Solar Physics. - 1985. - V. 100. - P. 465-490.
7. Bak P., Tang C., Wiesenfeld K. Self-organized criticality // Phys. Rev. V. - 1988. - Vol. 38. - N 1.
- p. 364-374.
8. Bak P. HOW NATURE WORKS. The science of self-organized criticality. - 1996. Springer-Verlag, New York, Inc.
9. Podlazov A. V., Osokin A. R. Samoorganizovannaya kritichnost' ehruptivnyh processov v solnechnoj plazme / Matem. modelirovanie. - 2002. - T. 14. - № 2 - C. 118-126.
10. Kozlov V. I., Kozlov V. V. "ARRHYTHMIA of SUN. In cosmic rays". - 2016. Editor-in-chief Academician G.F. Krymsky. IKFIA SD RAS. Yakutsk. 200 p.
11. Ajvazyan S. A., Enyukov I. S., Meshalkin I. D. Prikladnaya statistika. Osnovy modelirovaniya i pervichnaya obrabotka dannyh. - M.: Izd-vo Finansy i statistika. - 1983. -313 s.
12. Mordvinov A. V., Golovko A. A., YAzev S. A. Kompleksy aktivnosti i inversiya magnitnogo polya na polyusah Solnca v tekushchem cikle // Solnechno-zemnaya fizika. - 2014. - Vyp. 25. - S. 3-9.
13. Krymskij G. F., Krivoshapkin P. A., Gerasimova S. K., Grigor'ev V. G., Mamrukova V. P. Modulyaciya kosmicheskih luchej geliosfernym nejtral'nym sloem // Geomagnetizm i aehronomiya. - 2001.
- T. 41, - № 4. - S. 444-449.
14. Yazev S. A. Kompleksy aktivnosti na Solnce v 23 cikle aktivnosti // Solnechno-zemnaya fizika.
- 2010. - Vyp. 16. - S. 94-101.
15. Mordvinov A. V., Yazev S. A., Lhagvazhav Ch., Batmunh D. Kompleksy aktivnosti i struKtura krupnomasshtabnogo magnitnogo polya Solnca v cikle 24 / Sovremennaya geodinamika i opasnye prirodnye processy v central'noj Azii. - 2011. - Vyp. 7. - S. 10-15.
16. Dannye pryamyh izmerenij na kosmicheskom apparate ASE: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/ level2/
17. Obridko V. N., SHel'ting B. D. Global'naya magnitologiya i opornye tochki solnechnogo cikla // Astronomicheskij zhurnal. - 2003. - T. 80. - № 11. - S. 1034-1045.
18. Bazilevskaya G. A., Kraynev M. V., Makhmutov V. S., Sladkova A. I. Long-term changes in galactic cosmic ray variations caused by the solar rotation // Proceeding 24-th ICRC. - 1995. - Vol. 4.
- P. 572-576.
19. Sarychev V. T. Trendy i sektornaya struktura mezhplanetnogo magnitnogo polya // Geomagnetizm i aehronomiya. - 2006. - T. 46. - № 3. - S. 309-316.
20. Tlatov A. G. Trekhkratnaya perepolyusovka krupnomasshtabnogo magnitnogo polya Solnca v 24-m cikle aktivnosti i prognoz amplitudy 25-go cikla aktivnosti / Tezisy doklada na 9-j ezhegodnoj konferencii IKI «Fizika plazmy v solnechnoj sisteme». - 2014. 10-14 fevralya 2014. - S. 4.
21. Krymskij G. F., Krivoshapkin P. A., Grigor'ev V. G., Mamrukova V. P., Gerasimova S. K. Geliosfernaya modulyaciya intensivnosti kosmicheskih luchej vysokih ehnergij. 1. Bazovaya model' modulyacii kosmicheskih luchej s ciklom solnechnoj aktivnosti // Zhurnal ehksperimental'noj i teoreticheskoj fiziki. - 2007. - T. 131. - Vyp. 2. - S. 214-221.
22. Ivanov E. V., Obridko V. N., SHel'ting B. D. Krupnomasshtabnaya struktura solnechnyh magnitnyh polej i koronal'nye vybrosy massy // Astronomicheskij zhurnal. - 1997. - T. 74. - № 2. - S. 273-277.
23. Ivanov E. V., Obridko V. N. The Cyclic Variations of the CME Velocity // Solar Phys. - 2001.
- Vol. 198, - P. 179-196.
24. Sunderson T. R., Appourchaux T., Hoeksema J. T., Harvey K. L. Observations of the Sun's magnetic field during the recent solar maximum // J. Geophysical Res. - 2003. - V. 108. - No. A1. - P. 1035.
25. Pipin V. V., Moss D, Sokoloff D. and Hoeksema J. T. Reversals of the solar magnetic dipole in the light of observational data and simple dynamo models // Astronomy & Astrophysics. - 2014. -Volume 567, - id.A90, - 8 pp.
