Эволюция характеристик вертикального электрического тока и магнитного поля в активных областях солнца и их связь с мощными вспышками

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изучение эволюции магнитного поля и электрических токов в активных областях Солнца на длительном интервале времени представляет интерес для понимания процессов накопления и выделения энергии в них, приводящих к разнообразным явлениям, оказывающим влияние на космическую погоду. В этой работе на основе фотосферных векторных магнитограмм инструмента Helioseismic and Magnetic Imager на борту Solar Dynamics Observatory был проведен анализ эволюции ряда характеристик магнитного поля и вертикального электрического тока в трех активных областях 11158, 11675 и 12673, произведших вспышки классов М и Х, на протяжении времени от их зарождения в восточном полушарии, во время прохождения по солнечному диску и до исчезновения вблизи западного лимба с шагом 2 часа. Рассматриваемые характеристики включали в себя: показатель степенной функции плотности вероятности абсолютного значения плотности вертикального электрического тока, максимум абсолютного значения плотности вертикального тока, знаковый и беззнаковый вертикальный ток, беззнаковые вертикальный и горизонтальный магнитные потоки, энергия нелинейного бессилового и потенциального магнитного поля, свободная магнитная энергия, а также количество островов с сильными вертикальными токами. Найдены некоторые закономерности в поведении рассматриваемых характеристик при эволюции активных областей, в частности относительно возникновения вспышек. Рассчитаны коэффициенты корреляции между парами всех рассматриваемых характеристик. Дополнительно, показана перспективность подхода М. Ашвандена для прогнозирования максимального рентгеновского класса вспышки на основе вычисления энергии потенциального магнитного поля в активных областях. Полученные результаты могут использоваться при прогнозировании мощных солнечных вспышек.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Б. Нечаева

Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: nechaeva.workspace@gmail.com
Россия, Москва

И. В. Зимовец

Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН); Физтех-школа физики и исследований им. Ландау (МФТИ Физтех)

Email: ivanzim@iki.rssi.ru
Россия, Москва; Долгопрудный

В. С. Зубик

Физтех-школа физики и исследований им. Ландау (МФТИ Физтех)

Email: chernikovasya@gmail.com
Россия, Долгопрудный

И. Н. Шарыкин

Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)

Email: ivan.sharykin@phystech.edu
Россия, Москва

Список литературы

  1. Зверева А.М., Северный А.Б. Магнитные поля и протонные вспышки — 7 июля и 2 сентября 1966 г. // Изв. Крымской астрофиз. обс. 1970. Т. 41—42. С. 97—157.
  2. Зимовец И.В., Нечаева А.Б., Шарыкин И.Н., Низамов Б.А. Источники длиннопериодных рентгеновских пульсаций перед началом солнечных вспышек // Геомагнетизм и аэрономия. 2022. Т. 62. № 4. С. 436—455. https://doi.org/10.31857/S0016794022040186
  3. Ишков В.Н. Всплывающие магнитные потоки — ключ к прогнозу больших солнечных вспышек // Изв. РАН. Сер. физическая. 1998. T. 62. № 9. C. 1835—1839.
  4. Ишков В.Н. Прогноз солнечных вспышечных явлений: солнечные протонные события // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. T. 87. № 7. С. 1010—1013. https://doi.org/10.31857/S0367676523701788
  5. Прист Э.Р. Солнечная магнитогидродинамика. М.: Мир, 1985. 592 с.
  6. Северный А.Б. Некоторые проблемы физики Солнца. М.: Наука, 1988. 224 с.
  7. Степанов А.В., Зайцев В.В. Магнитосферы активных областей Солнца и звезд. М.: Физматлит, 2019. 392 с.
  8. Anfinogentov S.A., Stupishin A.G., Mysh’yakov I.I., Fleishman G.D. Record-breaking Coronal Magnetic Field in Solar Active Region 12673 // Astrophys. J. Lett. 2019. V. 880: L29. 5 p. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab3042
  9. Artemyev A., Zimovets I.V., Sharykin I.N., et al. Comparative Study of Electric Currents and Energetic Particle Fluxes in a Solar Flare and Earth Magnetospheric Substorm // Astrophys. J. 2021. V. 923. № 2. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac2dfc
  10. Aschwanden M.J. Global Energetics of Solar Flares. XI. Flare Magnitude Predictions of the GOES Class // Astrophys. J. 2020. V. 897. № 16. 11 p. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab9630
  11. Barczinskyi K., Aulanier G., Janvier M., Schmieder B., Masson S. Electric Current Evolution at the Footpoints of Solar Eruptions // Astrophysical Journal. 2020. V. 895. № 1. 21 p. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab893d
  12. Barnes G., Leka K.D. Inferring Currents from the Zeeman Effect at the Solar Surface // Electric Currents in Geospace and Beyond. Ed. A. Keiling, O. Marghitu & M. Wheatland. ISBN: 9781119324492. American Geophysical Union. 2018. P. 81—91. https://doi.org/10.1002/9781119324522.ch5
  13. Bloomfield D.S., Higgins P.A., McAteer R.T.J., Gallagher P.T. Toward Reliable Benchmarking of Solar Flare Forecasting Methods // Astrophys. J. Lett. 2012. V. 747. № 2. Article ID L41. 7 p. https://doi.org/10.1088/2041-8205/747/2/L41
  14. Bobra M.G., Couvidat S. Solar flare prediction using SDO/HMI vector magnetic field data with a machine-learning algorithm // Astrophys. J. 2015. V. 798. https://doi.org/10.1088/0004-637X/798/2/135
  15. Bobra M.G., Sun X., Hoeksema J.T., Turmon M., Liu Y., Hayashi K., Leka K.D. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) Vector Magnetic Field Pipeline: SHARPS — Space-Weather HMI Active Region Patches // Solar Phys. 2014. V. 289. P. 3549—3578. https://doi.org/10.1007/s11207-014-0529-3
  16. Fleishman G.D., Pevtsov A.A. Electric Currents in the Solar Atmosphere // Electric Currents in Geospace and Beyond. Edited by Andreas Keiling, Octav Marghitu and Michael Wheatland. ISBN: 9781119324492. American Geophysical Union. 2018. P. 43—65. https://doi.org/10.1002/9781119324522.ch3
  17. Fursyak Yu.A., Abramenko V.I. Possibilities for estimating horizontal electrical currents in active regions on the Sun // Astrophys. 2017. V. 60. № 4. P. 544—552. https://doi.org/10.1007/s10511-017-9505-6
  18. Fursyak Yu.A., Abramenko V.I., Zhukova A.V. Parameters of Electric Currents in Active Regions with Different Levels of Flare Productivity and Different Magnetomorphological Types // Geomagnetism and Aeronomy. 2021. V. 61. № 8. P. 1197—1206. https://doi.org/10.1134/S0016793221080089
  19. Grigoryev V.M., Ermakova L.V. A Study of the Distribution of Electric Currents and Current Helicity in the Photosphere at the Growth Stage of a Bipolar Active Region // Solar Phys. 2002. V. 207. P. 309—321. https://doi.org/10.1023/A:1016207115843
  20. Hoeksema J.T., Liu Y., Hayashi K., et al. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) Vector Magnetic Field Pipeline: Overview and Performance // Sol. Phys. 2014. V. 289. P. 3483—3530. https://doi.org/10.1007/s11207-014-0516-8
  21. Janvier M., Aulanier G., Bommier V., Schmieder B., Demoulin P., Pariat E. Electric Currents in Flare Ribbons: Observations and Three-dimensional Standard Model // Astrophys. J. 2014. V. 788. № 1. https://doi.org/10.1088/0004-637X/788/1/60
  22. Jiang C., Zou P., Feng X., et al. Magnetohydrodynamic Simulation of the X9.3 Flare on 2017 September 6: Evolving Magnetic Topology // Astrophys. J. 2018. V. 869. № 13. 18 p. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aaeacc
  23. Linton M.G., Antiochos S.K., Barnes G., et al. Recent progress on understanding coronal mass ejection/flare onset by a NASA living with a star focused science team // Adv. Space Res. 2023 (in press). https://doi.org/10.1016/j.asr.2023.06.045
  24. Lysenko A.L., Anfinogentov S.A., Svinkin D.S., Frederiks D.D., Fleishman G.D. Gamma-Ray Emission from the Impulsive Phase of the 2017 September 6 X9.3 Flare // Astrophys. J. 2019. V. 877. № 145. 13 p. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab1be0
  25. Musset S., Vilmer N., Bommier V. Hard X-ray emitting energetic electrons and photospheric electric currents // A&A. 2015. V. 580. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201424378
  26. Nechaeva A.B., Sharykin I.N., Zimovets I.V., Chen F. Relationship between the Horizontal Gradient of the Vertical Magnetic Field and the Horizontal Electric Current on the Photosphere in a Model Active Region of the Sun // Geomagnetism and Aeronomy. 2021. V. 61. № 7. P. 956—963. https://doi.org/10.1134/S0016793221070148
  27. Nechaeva A.B., Zimovets I.V., Sharykin I.N. Comparison between probability density functions of vertical electric current in solar active regions based on HMI/SDO and SOT/Hinode data // Solar-Terrestrial Physics. 2022. V. 8. P. 63—68. https://doi.org/10.12737/stp-83202210
  28. Nita G.M., Fleishman G.D., Kuznetsov A.A., Anfinogentov S.A., Stupishin A.G., Kontar E.P., Schonfeld S.J., Klimchuk J.A., Gary D.E. Data-constrained Solar Modeling with GX Simulator // Astrophys. J. Supplement Series. 2023. V. 267. № 6. (24 p). https://doi.org/10.3847/1538-4365/acd343
  29. Ofek Eran O. MAAT: MATLAB Astronomy and Astrophysics Toolbox // Astrophysics Source Code Library. 2014. Record ASCL: 1407.005.
  30. Priest E.R., Forbes T.G. The magnetic nature of solar flares // The Astronomy and Astrophysics Review. 2002. V. 10. № 4. P. 313—377. https://doi.org/10.1007/s001590100013
  31. Puschmann K.G., Ruiz Cobo B., Martínez Pillet V. The electrical current density vector in the inner penumbra of a sunspot // Astrophys. J. Lett. 2010. V. 721. № 1. https://doi.org/10.1088/2041-8205/721/1/L58
  32. Schatten K.H., Wilcox J.M., Ness N.F. A model of interplanetary and coronal magnetic fields // Solar Physics. 1969. V. 6. № 3. P. 442—455. https://doi.org/10.1007/BF00146478
  33. Scherrer P.H., Schou J., Bush R.I., et al. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) investigation for the Solar Dynamics Observatory (SDO) // Sol. Phys. 2012. V. 275. P. 207—227. https://doi.org/10.1007/s11207-011-9834-2
  34. Schmieder B., Aulanier G. Solar Active Region Electric Currents Before and During Eruptive Flares // Electric Currents in Geospace and Beyond. Ed. A. Keiling, O. Marghitu & M. Wheatland. ISBN: 9781119324492. American Geophysical Union. 2018. P. 391—406. https://doi.org/10.1002/9781119324522.ch23
  35. Schrijver C.J., DeRosa M.L. Photospheric and heliospheric magnetic fields // Solar Physics. 2003. V. 212. № 1. P. 165—200. https://doi.org/10.1023/A:1022908504100
  36. Schrijver C.J., Aulanier G., Title A.M., Pariat E., Delannee C. The 2011 February 15 X2 Flare, Ribbons, Coronal Front, and Mass Ejection: Interpreting the Three-dimensional Views from the Solar Dynamics Observatory and STEREO Guided by Magnetohydrodynamic Flux-Rope Modeling // Astrophys. J. 2011. V. 738. 23 p. https://doi.org/10.1088/0004-637X/738/2/167
  37. Sharykin I.N., Kosovichev A.G., Zimovets I.V. Energy Release and Initiation of a Sunquake in a C-Class Flare // Astrophys. J. 2015. V. 807. № 1. P. 102. 9 p. https://doi.org/10.1088/0004-637X/807/1/102
  38. Sharykin I.N., Kosovichev A.G. Onset of Photospheric Impacts and Helioseismic Waves in X9.3 Solar Flare of 2017 September 6 // The Astrophysical Journal. 2018. V. 864. № 1. Article ID86. 13 p. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aad558
  39. Sharykin I.N., Zimovets I.V., Myshyakov I.I. Flare Energy Release at the Magnetic Field Polarity Inversion Line during the M1.2 Solar Flare of 2015 March 15. II. Investigation of Photospheric Electric Current and Magnetic Field Variations Using HMI 135 s Vector Magnetograms // Astrophys. J. 2020. V. 893. № 2. P. 159. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab84ef
  40. Song H., Tan C., Jing J., Wang H., Yurchyshyn V., Abramenko V. Statistical Assessment of Photospheric Magnetic Features in Imminent Solar Flare Predictions // Solar Physics. 2009. V. 254. № 1. P. 101—125. https://doi.org/10.1007/s11207-008-9288-3
  41. Sun X., Hoeksema J.T., Liu Y., et al. Evolution of Magnetic Field and Energy in a Major Eruptive Active Region Based on SDO/HMI Observation // Astrophys. J. 2012. V. 748. № 77. P. 15. https://doi.org/10.1088/0004-637X/748/2/77
  42. Tadesse T., Pevtsov A.A., Wiegelmann T., MacNeise P.J., Gosain S. Global Solar Free Magnetic Energy and Electric Current Density Distribution of Carrington Rotation 2124 // Solar Physics. 2014. V. 289. № 11. P. 4031—4045. https://doi.org/10.1007/s11207-014-0581-z
  43. Tan B., Ji H., Huang G., Zhou T., Song Q., Huang Y. Evolution of Electric Currents Associated with Two M-Class Flares // Solar Physics. 2006. V. 239. № 1—2. P. 137—148. https://doi.org/10.1007/s11207-006-0120-7
  44. Toriumi S., Wang H. Flare-productive active regions // Living Rev. Sol. Phys. 2019. V. 16. № 3. https://doi.org/10.1007/s41116-019-0019-7
  45. Van Driel-Gesztelyi L., Green L.M. Evolution of Active Regions // Living Rev. Sol. Phys. 2015. V. 12. № 1. https://doi.org/10.1007/lrsp-2015-1
  46. Wang S., Liu C., Liu R., Deng N., Liu Y., Wang H. Response of the Photospheric Magnetic Field to the X2.2 Flare on 2011 February 15 // Astrophys. J. Lett. 2012. V. 745. Article ID L17. 5 p. https://doi.org/10.1088/2041-8205/745/2/L17
  47. Wang R., Liu Y.D., Hoeksema J.T., Zimovets I.V., Liu Y. Roles of Photospheric Motions and Flux Emergence in the Major Solar Eruption on 2017 September 6 // Astrophys. J. 2018. V. 869. № 2. Article ID 90. 11 p. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aaed48
  48. Yang S., Zhang J., Zhu X., Song Q. Block-induced Complex Structures Building the Flare-Productive Solar Active Region 12673 // The Astrophysical Journal Letters. 2017. V. 849. № 2. Article ID L21. 7 p. https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa9476
  49. Zimovets I.V., Wang R., Liu Y.D., Wang C., Kuznetsov S.A., Sharykin I.N., Struminsky A.B., Nakariakov V.M. Magnetic structure of solar flare regions producing hard X-ray pulsations // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2018. V. 174. P. 17—27. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.04.017
  50. Zimovets I.V., Sharykin I.N., Gan W.Q. Relationships between photospheric vertical electric currents and hard X-ray sources in solar flares: Statistical study // Astrophys. J. V. 891. № 2. 2020a. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab75be
  51. Zimovets I.V., Nechaeva A.B., Sharykin I.N., Gan W.Q. Density distribution of photospheric vertical electric currents in flare-active regions of the Sun // Astrophys. V. 63. P. 408—420. 2020b. https://doi.org/10.1007/s10511-020-09645-0
  52. Zimovets I.V., Sharykin I.N. A brief review on vertical electric currents in flaring active regions at the Sun / Proceedings of the VAK-2021 conference “Astronomy at the Epoch of Multimessenger Studies” (Moscow, August 23–28, 2021). 2022. P. 42—46. https://doi.org/10.51194/VAK2021.2022.1.1.006
  53. Zwaan C. Elements and Patterns in the Solar Magnetic Field // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1987. V. 25. P. 83—111. https://doi.org/10.1146/annurev.aa.25.090187.000503

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кривые эволюции рассматриваемых параметров магнитного поля и электрических токов в АО NOAA 11158 с 11.02.2011 г. по 22.02.2011 г.

Скачать (575KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Аналогично рис. 1, но для АО NOAA 11675 с 16.02.2013 г. по 25.02.2013 г.

Скачать (395KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Аналогично рис. 1, но для АО NOAA 12673 с 29.08.2017 г. по 09.09.2017 г.

Скачать (644KB)
Метаданные
5. Рис. 4. PDF(|jz|) (слева) и карты островов сильного электрического тока (справа) для четырех моментов времени (сверху вниз): в начале зарождения АО, на фазе быстрого всплытия магнитного потока, перед началом самых мощных вспышек и в один из более поздних моментов времени для АО NOAA 11158.

Скачать (663KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Аналогично рис. 4, но для АО NOAA 11675.

Скачать (750KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Аналогично рис. 4, но для АО NOAA 12673.

Скачать (763KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Графики парных зависимостей энергии нелинейного бессилового магнитного поля Enlfff, энергии потенциального магнитного поля Epotf и свободной магнитной энергии Efree друг от друга для последовательных моментов времени в АО 11158 (а–в), 11675 (г–е) и 12673 (ж–и). На (й–л) показаны аналогичные парные зависимости, но для совокупности данных в АО 11158 (ромбы), 11675 (треугольники) и 12673 (квадраты).

Скачать (752KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Графики парных зависимостей пиковой плотности потока рентгеновского излучения вспышек в канале 1—8 Å GOES/XRS (т. е. рентгеновского класса) от рассматриваемых параметров, посчитанных для моментов времени в пределах 2 ч до вспышек. Звездочки соответствуют вспышкам в АО 11158, кружок — АО 11675, ромбы — АО 12673.

Скачать (154KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Наблюдаемые и прогнозируемые пиковые плотности потока рентгеновского излучения в канале 1—8 Å GOES/XRS (т. е. рентгеновские классы) самых мощных солнечных вспышек в АО 11158 (а), 11675 (б), 12673 (в) и зависимость их отношения от класса максимальной вспышки (г).

Скачать (356KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024