CC BY
0ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ СНИМКОВ СОЛНЦА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ КОРОНАЛЬНЫХ ЯРКИХ
ТОЧЕК
1Е.П. Миненко, 2Н.В. Карачик
1 младший научный сотрудник Астрономического института Академии наук РУз (Узбекистан) 2старший научный сотрудник Астрономического института Академии наук РУз, кандидат физико-математических наук (Узбекистан) https://doi.org/10.5281/zenodo.11215877
Аннотация. В данной работе свойства северо-южной асимметрии числа корональных ярких точек (КЯТ) исследованы с помощью цифровых снимков с космической обсерватории SOHO и применением современных методов их обработки. Было обнаружено, что в течение 23 - 24 циклов солнечной активности доминанта активности по КЯТ находится в южном полушарии. Широтное распределение центров «точкообразования» КЯТ не подчиняется закону Шпёрера. Асимметрия КЯТ отличается от асимметрии солнечных пятен, что может быть объяснено наличием двух типов КЯТ.
Ключевые слова: цифровые снимки Солнца, солнечная активность, корональные яркие точки, интерактивный язык программирования IDL.
I. ВВЕДЕНИЕ
Появление большого массива наблюдательных данных с солнечных космических обсерваторий за длительный промежуток времени, а также значительное увеличение пространственного и временного разрешения этих данных привело к необходимости использования современных цифровых методов для их обработки и анализа. Большой объем данных требует значительных затрат времени на их обработку со стороны наблюдателя, а также увеличивает количество субъективных ошибок. Для решения данных проблем все чаще используются автоматические программы для предварительной обработки и определенных действий с наблюдательными данными, например, выделения желаемого класса объектов и подсчета их характеристик. Для написания программ автоматической (без привлечения стороннего наблюдателя) обработки снимков в астрономии используют различные языки программирования: IDL, Python, FORTRAN, С++, MATLAB и другие. В данной работе был использован интерактивный язык программирования IDL - Interactive Data Language, разработанный именно для решения научных задач, обработки и визуализации больших массивов данных. Весь анализ и предварительная обработка выполнена с помощью программ написанных на IDL с привлечением библиотеки подпрограмм, созданных для обработки солнечных данных SolarSoft. Использование современных цифровых технологий позволило значительно уменьшить время обработки и анализа данных за почти 25 лет.
В данной работе представлены результаты исследования, выполненного на основе цифровых снимков Солнца с космической обсерватории SOHO в ультрафиолетовой области спектра. Все снимки, полученные с инструментов обсерватории SOHO, имеют формат fits (Flexible Image Transport System). Это формат файлов для хранения, передачи и редактирования изображений и их метаданных. Чаще всего FITS используется в астрономии. В отличие от других форматов изображений, FITS разработан специально для
научных данных и поэтому включает в себя метаданные, описывающие информацию о фотометрической и пространственной калибровке, вместе с метаданными исходного изображения.
Наиболее актуальной проблемой в физике Солнца на сегодняшний день остается изучения механизма и особенностей солнечной активности. Как известно, солнечная активность имеет циклический характер, и наиболее известным и заметным является одиннадцатилетний цикл солнечной активности или цикл Швабе. Одиннадцатилетний цикл является отражением периодического изменения крупномасштабного магнитного поля Солнца. В ходе этого цикла изменяется не только число и интенсивность различных проявлений солнечной активности, но и их распределение по поверхности Солнца. Феномен северо-южной асимметрии (или N-S асимметрии), с одной стороны, является фундаментальной характеристикой солнечной активности (СА). С другой стороны законы, которым подчиняется асимметрия, являются независимыми и не определяются циклическими изменениями активности. Основные свойства N-S асимметрии, отмечаемые во всех индексах крупных проявлений солнечной активности, таких как число пятен и их групп, появление и интенсивность вспышек, корональных дыр, факелов и др., изменение их площади, среднегодовых или среднемесячных значений и т.п., были подробно изучены и описаны [1, 2]. Отмечается, что именно северо-южная асимметрия индексов ярче отражает проявления цикличности активности Солнца, чем сами индексы активности [1]. В связи с этим исследования N-S асимметрии таких мелкомасштабных проявлений как корональные яркие точки (КЯТ) представляется актуальным вопросом и могло бы внести свой вклад в развитие и более глубокое понимание моделей солнечного динамо.
В данном исследовании нами была поставлена задача - на основе современных методов изучить аспекты асимметрии КЯТ в N-S полусферах Солнца, в частности определить широтное распределение центров образования КЯТ в периоды минимальной и максимальной солнечной активности. В качестве основного индекса солнечной активности нами использованы данные по международному числу солнечных пятен с сайта Всемирного центра солнечных данных Королевской обсерватории Бельгии (Royal Observatory of Belgium) [3]. Моменты максимумов и минимумов, сглаженные за 13 месяцев, также взяты с сайта Всемирного центра солнечных данных.
II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В качестве исходных данных для анализа распределения среднемесячного числа КЯТ в N-S полусферах мы использовали ряды среднемесячных значений как полного числа, так и их распределение на различных широтных интервалах по диску Солнца, с корональных изображений инструмента EIT/SOHO (Extreme ultraviolet Imaging Telescope/Solar and Heliospheric Observatory), взятых в спектральном диапазоне 195Â ионизированного железа FeXII. Результаты наблюдений охватывают интервал порядка 25 лет (с 1 января 1996 года по апрель 2020 года включительно), что соответствует двум полным циклам солнечной активности - 23 и 24. Предварительная обработка цифровых снимков и автоматическая программа, использующая алгоритм идентификации КЯТ, разработанные нашей группой [4] реализованы на платформе IDL с использованием библиотеки SolarSoft.
Для количественной оценки асимметрии числа событий в северном и южном полушариях мы использовали формулу:
N-S
А =
N+S '
Рис.1. Изменение нормированного индекса асимметрии полного числа солнечных пятен.
где N — число событий в северном полушарии, а S — в южном. А>0 соответствует случаю, когда наибольшее число событий зарегистрировано в северном полушарии; А<0 -в южном. На рисунке 1 приведено изменение индекса асимметрии полного числа солнечных пятен. Темно красным цветом выделено изменение индекса асимметрии сглаженного за 13 месяцев. Синие вертикальные линии - моменты минимумов, красные максимумов. Значения асимметрии равные ±1 означают, что пятна отсутствуют в северном или южном полушарии.
Рассматриваемый нами период охватывает три минимума и два максимума. Видно, что все рассмотренные
минимумы попадают на смену доминирующего полушария, для
максимумов подобная зависимость не
наблюдается. Результаты анализа активности
крупных вспышек в мягком рентгеновском диапазоне (0.1-0.8 нм) на различных фазах 21-23 солнечных циклов демонстрируют N-S асимметрию [5]. Отмечено также, что в течение целого цикла 21 наблюдалось небольшое превышение вспышечной активности в северном полушарии, тогда как для циклов 22 и 23 в целом преобладал избыток вспышечной активности именно в южном полушарии. При сравнении N-S
асимметрии числа
солнечных пятен и асимметрии вспышечной активности для 21 -23 циклов и фазы подъема 24 цикла, отмечается небольшое расхождение [1].
Обридко и др. нашли, что в 24 цикле СА преобладает южное полушарие по числу и площади солнечных пятен [2]. В циклах 21 и 23 также найдено опережение северного полушария южным примерно на год [6]. В действительности, данная зависимость не столь однозначна, и не всегда доминирование того или иного полушария можно точно определить лишь по
Tota
"S
ю <
.0
0.5
0.0
-0.5
.0
00
05
10
5
Ю
Years
Рис.2. Изменение нормированного индекса асимметрии числа
КЯТ.
CO Q) T3
суммарному числу событий в полусфере за рассмотренный период. Во время 22 и 23 солнечных циклов первоначально доминирует северное полушарие в фазе подъема, однако вблизи максимума этих циклов число солнечных пятен в южном полушарие превышает число в северном [7]. Из графика видно, что на восходящей ветви 24 цикла доминирует северное, вблизи максимума - южное, на спаде - снова северное.
На рис. 2. представлен график изменения индекса асимметрии КЯТ. Аналогично рис.1. синие и красные вертикальные линии показывают моменты минимумов и максимумов. Характерной для солнечных пятен зависимости смены лидирующего полушария в районе минимумов для КЯТ не наблюдается. Кроме того, в основном наблюдается преобладание в числе КЯТ для случаев южного полушария в 23 и 24 циклах СА. В 23 цикле в фазе подъема отмечается небольшое доминирование сначала южного, а потом северного полушария.
Исследовано широтное распределение центров «точкообразования» корональных
ярких точек. Рис. 3.
показывает среднемесячные широты КЯТ для северного и южного полушарий и их сглаженные за 13 месяцев значения (красным). Вертикальные линии и их цветовая схема аналогичны рис.1. Видно, что большинство всех КЯТ
регистрируются в так называемой «королевской зоне» или зоне активных
областей ± 35°.
Каждое конкретное значение есть среднемесячная широта в данном полушарии, полученная как среднее значение для всех наблюдавшихся за данный месяц точек, причем каждая точка учитывается столько раз, сколько дней она наблюдалась. Следует отметить, что определяемые таким образом значения средних широт отличаются от общепринятых. К примеру, для пятен, общепринято при вычислении средневзвешенной величины учитывать площади групп пятен. Но расчеты показали, что такой учет лишь увеличивает разброс значений на кривых и новых добавочных сведений о широтном распределении центров «пятнообразования» учет размера пятен не дает [8]. Для КЯТ наблюдается та же особенность, а с учетом сглаженных значений учет площади каждой точки не является необходимым условием.
00
05
15
20
Years
Рис.3. Широтное распределение центров «точкообразования»
КЯТ
III.ОБСУЖДЕНИЯ И ВЫВОДЫ
Широтное распределение центров «пятнообразования» числа Вольфа показывает постепенный сдвиг зоны образования солнечных пятен к экватору подчиняясь закону Шпёрера. Широтное распределение центров «точкообразования» КЯТ не показывает подобной зависимости (см. рис.3).
На рисунке 4 приведено распределение числа КЯТ по широтам с шагом в 10 градусов. Видно, что число событий экспоненциально убывает к высоким широтам. В районе экватора преобладает по числу событий северное полушарие (к 10° значения практически выравниваются), в то время как выше 20° картина меняется, и число точек значительно преобладает уже в южном. На высоких широтах также преобладает южное полушарие, за исключением области порядка 50-60 градусов, где число событий практически равно.
Сравнение изменения среднемесячного числа КЯТ в северном и южном полушариях (N-S асимметрии) показало, что в указанном временном интервале, доминанта
активности по КЯТ находится в S- полусфере. Широтное распределение центров
«точкообра-зования» КЯТ не подчиняется закону Шпёрера. Асимметрия КЯТ отличается от асим-метрии солнечных пятен, что может быть объяснено наличием двух типов КЯТ [8]. северном(черным) и южном (красным) полушариях суммарно
Таким образом, за два цикла.
применение современных
методов обработки и анализа данных, автоматических программ нахождения корональных ярких точек и подсчета их параметров, а также космических данных высокого пространственного и временного разрешения позволили получить важные особенности северо-южной асимметрии особого класса явлений солнечной активности -мелкомасштабных бразований называемых корональными яркими точками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бруевич Е.А., Якунина Г.В., Астрофизика, 2017. том 60. № 3. С. 419-433.
2. Obridko V.N., Shelting B.D., Astronomy Reports, 2013. Vol. 57. №. 10. P. 848-858.
3. https://www.sidc.be/SILSO/datafiles
4. Саттаров И., Шерданов Ч., Карачик Н., Материалы конференции «Физика в Узбекистане», Ташкент-2005, С. 27-28.
5. Joshi B., Bhattacharyya R., Pandey K.et al., Astronomy and Astrophysics, 2015. 582. A4.
6. Javaraiah J., Solar Physics, 2019. 294:6.
7. Chowdhury P., Kilcik A., Yurchyshyn V., Obridko V., Rozelot J., Solar Physics, 2019. 294:142.
8. Бадалян О.Г., Астрономический журнал, 2011.Т. 88. № 10. с. 1008-1023.
Рис.4. Широтное распределение числа КЯТ в
