Иркутск, Россия
Иркутск, Иркутская область, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
УДК 55 Геология. Геологические и геофизические науки
Цель статьи — познакомить читателя с исследованиями, проводимыми в Институте солнечно-земной физики (ИСЗФ СО РАН) и направленными на изучение свойств хромосферных колебаний Солнца и их связи с пульсациями, регистрируемыми в магнитосфере Земли и на ее поверхности. В работе мы сравниваем с помощью инструментов ИСЗФ характеристики колебаний в различных хромосферных структурах, солнечном ветре и магнитосфере. Мы рассматриваем возможность того, что наблюдаемые периодические вариации ширины профилей хромосферных линий можно интерпретировать как проявление крутильных альфвеновских волн. Эта мода может распространяться на большие расстояния, не рассеиваясь в межпланетном пространстве, и проникать в магнитосферу Земли напрямую либо опосредованно благодаря процессам на плазмопаузе. Мы акцентируем внимание на сходстве характеристик колебаний, наблюдающихся в различных средах и сходстве многих параметров самих сред и происходящих в них процессов. Мы полагаем, что для изучения этих сред можно применять схожие подходы.
солнечные факелы, солнечные пятна, МГД-волны, магнитосфера
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, магнитогидродинамические (МГД) волны — один из механизмов переноса энергии в гелиосфере. Они наблюдаются во всех ее областях, от фотосферы до атмосферы Земли.
Во всех слоях солнечной атмосферы наблюдается богатое разнообразие периодов и МГД-мод. Для объектов различных типов накоплен огромный наблюдательный материал. В этой работе мы в основном используем наблюдаемые в верхней хромосфере волны, поскольку они имеют бо́льшую вероятность влияния на процессы в солнечном ветре (СВ), в отличие, например, от фотосферных колебаний, которые, как известно, в некоторых случаях могут быть запертыми в ограниченном диапазоне высот без возможности проникновения в верхнюю атмосферу.
Колебания в верхней атмосфере Земли и в магнитосфере изучаются также в течение продолжи-тельного времени. Среди механизмов, приводящих к генерации ультранизкочастотных (УНЧ) волн в магнитосфере Земли, одно из ключевых мест занимает впервые предложенный авторами работы [Гульельми, Троицкая, 1973] механизм прямого проникнове-ния волн из СВ через магнитопаузу [Mazur, 2010; Greenstadt et al., 1983]. В работах [Kessel, 2008; Takahashi, Ukhorskiy, 2007, 2008] колебания давления СВ рассматриваются как основной источник длиннопериодных пульсаций в магнитосфере.
Мы исследуем свойства колебаний, наблюдаемых в хромосфере и СВ с целью найти связь между ними. Эта работа основывается на наблюдательных результатах предыдущих исследований, выполненных в Институте солнечно-земной физики и касающихся геомагнитных колебаний, связанных с МГД-колебаниями в верхней хромосфере Солнца.
Мы делаем акцент на исследованиях, проведенных для ряда структур солнечной атмосферы в различных спектральных линиях, которые формируются в большом диапазоне высот.
Рассматриваются характеристики колебаний лучевой скорости, интенсивности и ширины профилей. Описания методов измерений можно найти в [Kobanov, 1985, 2001]. В этой работе мы анализиру-ем возможные проявления торсионных (крутильных) альфвеновских волн, характеризуемых вращательными движениями сегментов магнитной трубки. Альфвеновские волны могут распространяться на большие расстояния с минимальным рассеянием, проходя из хромосферы через корону в СВ и достигая Земли. С другой стороны, в работе [Cranmer, van Ballegooijen, 2005] показано, что переходная зона может отражать значительную часть альфвеновских волн в широком диапазоне периодов. Выше, в межпланетном пространстве отражение существенно только для периодов порядка десятков часов и больше. В наших предыдущих работах мы наблюдали периодические вариации ширины хромосферных линий, которые могут быть интерпретированы как проявления крутильных альфвеновских волн в разных структурах солнечной атмосферы. Следующий этап состоит в том, чтобы проследить динамику этих волн в СВ и магнитосфере Земли после того, как они были сгенерированы в хромосфере Солнца.
Ниже мы приводим краткое описание характеристик периодических колебаний на Солнце и в магнитосфере Земли, обнаруженных в наших наблюдательных данных.
1. Гульельми А.В. Диагностика магнитосферы и межпланетной среды по данным наблюдения геомагнитных пульсаций: доклад // Всесоюзный семинар по физике магнитосферы, Борок, июнь 1972.
2. Гульельми А.В., Довбня Б.В. Гидромагнитное излучение межпланетной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, вып. 10. С. 601-604.
3. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с.
4. Гульельми А.В., Потапов А.С. Об особенности поля МГД-волны в неоднородной плазме // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1984. Вып. 70. С. 149-157.
5. Дмитриенко И.С. Пространственно-временная структура альфвеновских резонансных возмущений, генерируемых поперечно-локализованной БМЗ-волной // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 15. С. 135-143.
6. Зубкова А.В., Кобанов Н.И., Скляр А.А. и др. Периодические вариации ширины профиля Нα в хромосфере корональных дыр как возможный индикатор альфвеновских волн // Письма в АЖ. 2014. Т. 40, № 4. С. 251-260.
7. Кобанов Н.И. К исследованию свойств колебаний в полутени солнечных пятен // Астрон. журнал. 2000. Т. 3. С. 233.
8. Кобанов Н. И., Скляр А.А. Периодические процессы и движения плазмы в солнечных корональных дырах // Астрон. журнал. 2007. Т. 84, № 9. С. 857-864.
9. Леонович А.С., Мазур В.А., Козлов Д.А. МГД-волны в геомагнитном хвосте: обзор // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 1. С. 4-22.
10. Троицкая В.А., Плясова-Бакунина Т.А., Гульельми А.В. Связь пульсаций Pc2−4 с межпланетным магнитным полем // Докл. АН СССР. 1971. Т. 197, № 6. С. 1312-1314.
11. Челпанов А.А., Кобанов Н.И., Колобов Д.Ю. Характеристики колебаний в магнитных узлах солнечных факелов // Астрон. журнал. 2015. Т. 92, № 10. С. 851-858.
12. Anfinogentov S., Sych R., Prosovetsky D. Induced MHD oscillations of fine loop structures located in coronal hole // arXiv: 1011.4350, 11/2010. URL: https://arxiv.org/pdf/1011.4350.pdf (дата обращения 8 сентября 2018).
13. Anfinogentov S.A., Nakariakov V.M., Nisticò G. Decayless low-amplitude kink oscillations: a common phenomenon in the solar corona? // Astron. Astrophys. 2015. V. 583, id. A136. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201526195.
14. Chelpanov A., Kobanov N., Chupin S. Search for the observational manifestations of torsional Alfvén waves in solar faculae // Central European Astrophys. Bull. 2016a. V. 40. Р. 29-34.
15. Chelpanov A.A., Kobanov N.I., Kolobov D.Yu. Influence of the magnetic field on oscillation spectra in solar faculae // Solar Phys. 2016b. V. 291. P. 3329-3338. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-016-0954-6.
16. Cranmer S.R., van Ballegooijen A.A. On the genera-tion, propagation, and reflection of Alfvén waves from the solar photosphere to the distant heliosphere // Astrophys. J. Supplement Ser. 2005. V. 156, iss. 2. P. 265-293.
17. de Pontieu B., McIntosh S., Martinez-Sykora J., et al. Why is non-thermal line broadening of spectral lines in the lower transition region of the Sun independent of spatial resolution? // Astrophys. J. Lett. 2015. V. 799. L12.
18. Dovbnya B.V., Potapov A.S. The frequency modulation of serpentine emission as compared to the set of the known periodicities of solar oscillations // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2018. V. 54, iss. 5. P. 680-687. DOI:https://doi.org/10.1134/S106 9351318050051.
19. Greenstadt E.W., Mellott M.M., McPherron, et al. Transfer of pulsation-related wave activity across the magnetopause - observations of corresponding spectra by ISEE-1 and ISEE-2 // Geophys. Res. Lett. 1983. V. 10. P. 659-662.
20. Guglielmi A., Potapov A., Dovbnya B. Five-minute solar oscillations and ion-cyclotron waves in the solar wind // Solar Phys. 2015. V. 290, iss. 10. P. 3023-3032. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-015-0772-2.
21. Hayes L.A., Gallagher P.T., McCauley, et al. Pulsations in the Earth’s lower ionosphere synchronized with solar flare emission // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 9841-9847. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024647.
22. Kepko L., Spence H.E., Singer H.J. ULF waves in the solar wind as direct drivers of magnetospheric pulsations // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 8. P. 39-1-39-4. DOI:https://doi.org/10.1029/2001 GL014405.
23. Kessel R.L. Solar wind excitation of Pc5 fluctuations in the magnetosphere and on the ground // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008. V. 113. A04202.
24. Kobanov N.I. Narrowband spatial filtering in differential measurements of the line-of-sight velocity of the solar atmosphere // Astron. Astrophys. 1985. V. 143. P. 99-101.
25. Kobanov N.I. The properties of velocity oscillations in vicinities of sunspot penumbra // Solar Phys. 2000. V. 196. P. 129-135.
26. Kobanov N.I. Measurement of the differential ray velocity and longitudinal magnetic field on the sun with CCD photodetectors: Part I. Modulationless method // Instruments and Experimental Techniques. 2001. V. 44. P. 524-529.
27. Kobanov N.I., Pulyaev V.A. Photospheric and chromospheric oscillations in solar faculae // Solar Phys. 2007. V. 246. P. 273-279.
28. Kobanov N.I., Makarchik D.V., Sklyar A.A. Photo-spheric and chromospheric oscillations in the base of coronal holes // Solar Phys. 2003. V. 217. P. 53-67. DOI:https://doi.org/10.1023/A:102730 1101788.
29. Kobanov N.I., Kustov A.S., Pulyaev V.A., Chupin S.A. The role of faculae in wave-energy transfer to upper layers of the solar atmosphere: Observations. Astron. Rep. 2011. V. 55. P. 532-540.
30. Kobanov N.I., Kolobov D.Yu., Kustov A.S., et al. Direct measurement results of the time lag of LOS-velocity oscillations between two heights in solar faculae and sunspots // Solar Phys. 2013a. V. 284. P. 379-396. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0247-2.
31. Kobanov N.I., Chelpanov A.A., Kolobov D.Yu. Oscillations above sunspots from the temperature minimum to the corona // Astron. Astrophys. 2013b. V. 554. P. A146. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201220548.
32. Kobanov N.I., Kolobov D.Yu., Chelpanov A.A. Oscillations above sunspots and faculae: height stratification and relation to coronal fan structure // Solar Phys. 2015. V. 290. P. 363-380. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-014-0623-6.
33. Kolobov D.Yu., Chelpanov A.A., Kobanov N.I. Peculiarity of the oscillation stratification in sunspot penumbrae // Solar Phys. 2016. V. 291. P. 3339-3347.
34. Lee L.C., Albano R.K., Kan J.R. Kelvin - Helmholtz instability in the magnetopause boundary layer region // J. Geophys. Res.: Space Phys. 1981. V. 86, A1. P. 54-58. DOI: 10.1029/ JA086iA01p00054.
35. Lipko Y.V., Pashinin A.Y., Rahkmatulin R.A. Ionospheric manifestations of geomagnetic pulsations at high latitudes // Eighth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Phys. 2002. V. 4678. P. 485-490.
36. Mazur V.A. Resonance excitation of the magneto-sphere by hydromagnetic waves incident from solar wind // Plasma Phys. Rep. 2010. V. 36. P. 953-963.
37. Mazur V.A., Leonovich A.S. ULF hydromagnetic oscillations with the discrete spectrum as eigenmodes of MHD-resonator in the near-Earth part of the plasma sheet // Ann. Geophys. 2006. V. 24. P. 1639-1648. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.07.006.
38. Mishin V.V. On the MHD instability of the Earth’s magnetopause and its geophysical effects // Planet. Space Sci. 1981. V. 29, iss. 3. P. 359-363.
39. Mishin V.V. Accelerated motions of the magnetopause as a trigger of the Kelvin - Helmholtz instability // J. Geophys. Res. 1993. V. 98, N A12. P. 21365-21371.
40. Mishin V., Parkhomov V., Pashinin A. Geomagnetic pulsations caused by the magnetopause oscillations (comparison of spacecraft and geomagnetic observations) // Adv. Space Res. 2003. V. 31, N 5. P. 1177-1182.
41. Mishin V.V., Tomozov V.M. Kelvin - Helmholtz instability in the solar atmosphere, solar wind and geomagnetosphere // Solar Phys. 2016. V. 291. P. 3165-3184. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-016-0891-4.
42. Nakariakov V.M., Verwichte E. Coronal waves and oscillations // Living Rev. Solar Phys. 2005. V. 2. P. 3. DOI: 10.12942/ lrsp-2005-3.
43. Nakariakov V.M., Anfinogentov S.A., Nisticò G., Lee D.-H. Undamped transverse oscillations of coronal loops as a self-oscillatory process // Astron. Astrophys. 2016a. V. 591, id. L5. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201628850.
44. Nakariakov V.M., Pilipenko V., Heilig B., et al. Magnetohydrodynamic oscillations in the solar co-rona and Earth’s magnetosphere: towards consolidated understanding // Space Sci. Rev. 2016b. V. 200. P. 75-203. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-015-0233-0.
45. Nosé M., Iyemori T., Sugiura M., Slavin J.A. A strong dawn/dusk asymmetry in Pc5 pulsation occurrence observed by the DE-1 satellite // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22, N 15. P. 2053-2056. DOI:https://doi.org/10.1029/95GL01794.
46. Olson J.V., Rostoker G. Longitudinal phase variations of Pc4-5 micropulsations // // Solar Wind Sources of Magnetospheric Ultra-Low-Frequency Waves. 1994. P. 135-145. (Geophys. Monograph. Ser. V. 81.) DOI:https://doi.org/10.1029/GM081p0135.
47. Potapov A.S., Mazur V.A. Pc3 pulsations: From the source in the upstream region to Alfvén resonances in the magnetosphere. Theory and observations // Geophys. Monograph. Ser. 1994. V. 81. P. 135-145.
48. Potapov A.S., Polyushkina T.N. Experimental evidence for direct penetration of ULF waves from the solar wind and their possible effect on acceleration of radiation belt electrons // Geomagnetism and Aeronomy. 2010. V. 50. P. 950-957.
49. Potapov A.S., Polyushkina T.N., Pulyaev V.A. Observations of ULF waves in the solar corona and in the solar wind at the Earth’s orbit // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013. V. 102. P. 235-242.
50. Rakhmatulin R.A. On a possibility of existence of two and more sources Pi2 pulsations in the magnetosphere. International Association of Geomagnetism and Aeronomy IAGA-11. Scientific Assembly. Sopron (Hungary), 23-30 Aug 2009. P. 1212. Available from: http://www.iaga2009sopron.hu (дата обращения 8 сентября 2018).
51. Rakhmatulin R.A., Pashinin A.Y., Hayashi K. Ob-servation of global Pi2 pulsations in midlatitudes during auroral substorms // 5th International Conference on Substorms. St. Petersburg, Russia, 16-20 May, 2000: Proc. Noordwijk, 2000. European Space Agency, ESA SP. V. 443. P. 561-564.
52. Shestov S.V., Nakariakov V.M., Ulyanov A.S., et al. Nonlinear evolution of short-wavelength torsional Alfvén waves // Astrophys. J. 2017. V. 840, iss. 2, id. 64. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa6c65.
53. Stephenson J.A.E., Walker A.D.M. HF radar observations of Pc5 ULF pulsations driven by the solar wind // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 9. P. 8-1-8-4. DOI:https://doi.org/10.1029/2001GL014291.
54. Sych R., Nakariakov V., Karlicky M., Anfinogentov S. Relationship between wave processes in sunspots and quasiperiodic pulsations in active region flares // Astron. Astrophys. 2009. V. 505, iss. 2. P. 791-799.
55. Sych R., Zaqarashvili T.V., Nakariakov V.M., et al. Frequency drifts of 3-min oscillations in microwave and EUV emission above sunspots // Astron. Astrophys. 2012. V. 539, id. A23. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201118271.
56. Takahashi K., Ukhorskiy A.Y. Solar wind control of Pc5 pulsation power at geosynchronous orbit // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2007. V. 112, N A11, a11205. DOI: 10.1029/ 2007JA012483.
57. Takahashi K., Ukhorskiy A.Y. Timing analysis of the relationship between solar wind parameters and geosynchronous Pc5 amplitude // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008. V. 113, N A12, a12204. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013327.
58. Viall N.M., Kepko L., Spence H.E. Relative occurrence rates and connection of discrete frequency oscillations in the solar wind density and dayside magnetosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2009. V. 114, N A1, a01201. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013334.
59. Wright A.N., Rickard G.J. ULF pulsations driven by magnetopause motions: Azimuthal phase characteristics // J. Geophys. Res.: Space Phys. 1995, V. 100, N A12. P. 23703-23710. DOI:https://doi.org/10.1029/95JA01765.
60. Yumoto K. External and internal sources of low-frequency MHD waves in the magnetosphere. A. Review // J. Geomagnetism Geoelectricity. 1988. V. 40, iss. 3. P. 293-311.
61. Zolotukhina N.A. Resonance properties of Psi5/Psc5 in geostationary orbit // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49. P. 438-449.
62. Zolotukhina N.A. Polekh N.M., Rakhmatulin R.A., Kharchenko I.P. Geophysical effects of the inter-planetary magnetic cloud on October 18-19, 1995 as deduced from observations at Irkutsk // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. P. 737-749.
63. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 8 сентября 2018).
