Úloha magnetického pole v přechodové fázi mezi jedenáctiletými cykly sluneční aktivity
 
 

V. Bumba, Astronomický ústav Akademie věd České republiky, observatoř Ondřejov, Česká republika, bumba @asu.cas.cz

M. Klvaňa,Astronomický ústav Akademie věd České republiky, observatoř Ondřejov, Česká republika, mklvana @asu.cas.cz

A. Garcia, Astronomická observatoř university v Coimbře, Portugalsko
 

Abstrakt.
Zabývali jsme se podrobně problematikou úlohy magnetického pole v přechodné fázi starého cyklu v nový, a to ve dvou ročních intervalech obklopujících dvě poslední minima, pro která existují dobrá, zejména magnetická, pozorování.
Ukázali jsme, že aktivní oblasti starého a nového cyklu mají snahu koncentrovat se ve stejných aktivních délkách: hlavní a téměř opačné vedlejší a že tedy zdroj jejich magnetických polí má stejnou heliografickou délku. Kromě toho se zdá, že na samém začátku nového cyklu, aktivita nového cyklu začíná ve velmi slabém stupni v rovníkové zóně v podobě drobných magneticky opačně orientovaných aktivních oblastí, nacházejících se většinou velmi blízko nebo přímo uvnitř magnetických polí větších oblastí starého cyklu, aby brzy přeskočila do vyšších šířek. Tato přechodná fáze je charakterizována vznikem relativně početných (vzhledem k celkovému stupni aktivity) velmi malých aktivních oblastí. První malé aktivní oblasti nového cyklu vznikají, často s ne příliš dobře vyjádřeným rozdělením polarit svého magnetického pole, jako sekundární produkt na periferii rovníkových "magnetických bublin" nově se vytvářejícího magnetického toku ještě fungujícího starého cyklu. Mimochodem, podobné magnetické bubliny" nového cyklu také ze začátku produkují sekundární malé aktivní oblasti cyklu starého. Zdá se, že nový magnetický tok ve zkoumaném přechodném období má dva zdroje: jeden v hloubce konvektivní zóny, a druhý ve vzájemné interakci dříve se vynořivších toků, nebo v působení "lokálního dynama". V každém případě ve vynořování magnetického toku, jeho rozdělení na povrchu fotosféry a vzájemné interakci mají veliký vliv konvektivní pohyby. Naše fotoelektrická měření magnetografem jsou však, jak jsme v roce 1996 vyzkoušeli, málo citlivá pro sledování těchto pohybů.
 

1. ÚVOD.

     Při studiu vzniku a vývoje aktivních oblastí během několika minulých minim slunečního jedenáctiletého cyklu jsme se setkali se situací, kdy unipolární sektor pozaďového magnetického pole, protažený meridionálně, propojoval aktivní oblasti staréhoi nového cyklu na severní i jižní polokouli, a to tak, že jednou hrál úlohu vedoucího, podruhé chvostového magnetického pole.
     Rovněž je známo, že v posledních letech cyklu je sluneční aktivita většinou soustředěna do dvou aktivních délek poněkud asymetricky rozložených, a to tak, že při maximu aktivity v jedné délce, je činnost v druhé délce v minimu. Celý cyklus výměny aktivity v aktivních délkách trvá většinou více než dva roky. Na grafech znázorňujících délkové rozložení aktivity v několika cyklech vidíme někdy v období minima změny sklonu těchto délek. Aktivita je vytvářející, vlivem existence diferenciální rotace mění se změnou heliografické šířky také rychlost posunu v Carringtonových souřadnicích. Otázkou je, odpovídá-li tato rychlost jen diferenciální rotaci. nebo existují-li tu ještě jiné vlivy.
     Rozhodli jsme se proto podívat se podrobněji na vzájemnou vazbu činnosti starého a nového cyklu, na jejich délkové rozložení, a především, na propojení jejich magnetických polí a na vazbu těchto polí na globální magnetické pole Slunce. Hlavním zdrojem informací pro naše studium byly Solar-Geophysical Data promt reports, t.j., tabulky aktivních skupin, denní situace včetně magnetických polí (z observatoře Mt. Wilson i Kitt Peak) a synoptické magnetické mapy (včetně Wilcoxovy observatoře) tam publikované.
     Studovali jsme průběh vzájemného předávání činnosti mezi starým a novým cyklem v právě odezněvším minimu aktivity a minimu předchozím. Období, ve kterém proběhlo poslední minimum jedenáctiletého cyklu (cykly č. 22/23), bylo poměrně krátké, změna byla velice rychlá. Týkala se prakticky dvou let, a to roků 1996 a 1997, Carringtonových otoček č. 1904 - 1930, aktivních oblastí NOAA č. 7934 - 8126. V době předposledního minima (cykly č. 21/22) jsme sledovali opět časový úsek dvou let, a to roků 1985 a 1986, Carringtonových otoček č. 1757 - 1783, aktivních oblastí NOAA č. 4614 - 4762.

2. ČASOVÉ A DÉLKOVÉ ROZLOŽENÍ AKTIVITY I MAGNETIC-
    KÝCH POLÍ.

     V minulém minimu průběh součtu maximálních ploch skupin skvrn v každé Carringtonově otočce ukazuje, jak se činnost starého cyklu postupně zmenšuje, aby zanikla definitivně po posledním špičce v otočce č. 1916. Toto poslední vzepětí starého cyklu zřejmě indukovalo prvý impuls aktivity cyklu nového v otočce č. 1917 (listopad/prosinec 1996). Další impulsy, stále mocnější, následovaly s periodou asi pěti otoček.
     Také v předposledním minimu je patrné, že první maxima aktivity nového cyklu jsou indukována maximy aktivity starého cyklu. Starý cyklus zřejmě vydechl naposled v rotaci č. 1776 (červen 1986), nový cyklus začal svůj nárůst v další otočce č. 1777 (červen/červenec 1986).
     V minulém minimu počátkem uvedených dvou let aktivita starého cyklu byla převážně soustředěna do jedné, hlavní aktivní délky, zatím co ve druhé, vedlejší aktivní délce, dosahovala právě svého minima. Aktivita nového cyklu začala v obou aktivních délkách, byla však intensivnější v hlavní délce. Kromě toho vytvořila ještě třetí délkovou koncentraci. Prakticky stejné rozložení aktivních oblastí a jejich četnosti do dvou aktivních délek, hlavní a vedlejší, existovalo i během předposledního minima.
     Příčina uvedeného délkového rozložení aktivity byla v obou minimech v délkovém rozložení pozaďových magnetických polích, které jsme sledovali dvěma způsoby. Jednak na rozložení polarit tohoto pole v rovníkovém pásu (+/- 20°), jednak ze stanfordských měření magnetického pole Slunce jako hvězdy. Výsledky obou metod se v principu shodují a sestrojíme-li graf délkového rozložení pozaďových polí, vidíme známé rozložení v podobě dlouhých pásů jednotlivých polarit, posouvajích se v síti Carringtonových souřadnic od jedné otočky k druhé rychlostí, danou jejich střední rotací.
     Zatímco stanfordská měření vykazují složitější strukturu pozaďových polí na rovníku, jsou na Slunci jako hvězdě vidět ve sledovaných obdobích prakticky jen dvě záporné magnetické délky, a dvě kladné délky, předcházející obě délky záporné. Srovnáme-li toto rozložení magnetických polí s předešlým délkovým rozdělením aktivity, vidíme, že v obou minimech aktivita koinciduje s oběma zápornými magnetickými délkami, zejména s jejich hranicemi, a vyhýbá se délkám kladným. Hlavní aktivní délka pak koinciduje s mohutnější délkou magnetickou, a vedlejší magnetická délka je dobře patrná i v době velmi slabé aktivity.

3. VZNIK A VÝVOJ MAGNETICKÝCH POLÍ NA KONCI
    A ZAČÁTKU  CYKLU.

     Nejlepší představu o vzniku, vývoji, zániku nebo eventuálním splynutím se slabým pozaďovým (globálním) polem pole lokálního, patřícího jednotlivé aktivní oblasti, základního prvku aktivity, získáme sledováním denních i synoptických magnetických map. Nejlépe a nejdříve dostupná jsou nyní měření observatoře Kitt Peak, a to pro obě minulá minima.
     Studujeme-li tímto způsobem vznik lokálních polí obou posledních nových cyklů, vidíme, že v prvé fázi prakticky všechny vznikly v areálech dříve se vynořivšího pole starého cyklu, buď postupným přemisťováním polarit, nebo i vynořením se nového magnetického toku, v němž ale alespoň jedna polarita je zesílenou polaritou lokálního pole starého cyklu. Poslední impulsy aktivity starého cyklu (např. v minulém minimu otočka č. 1909 a další) mají na magnetických mapách podobu velkých "bublin", vynořivších se v blízkosti rovníku, neberoucí ohled na jeho existenci, rozrůstajících se postupně lineárně s časem (asi 25 za otočku). Ne jejich periferii pak vznikají menší lokální pole patřící už novému cyklu, s obráceným pořadím polarit, postupně vytvářející se starým polem složitou strukturu pozaďového pole velmi silně ovlivňovanou diferenciální rotací. Sledujeme-li vývoj "bubliny" na stanfordských (vysoce integrovaných) magnetických synoptických mapách, vidíme, že je provázen vytvářením pravidelné eliptické struktury, zobrazující pravděpodobně obrovskou konvektivní celu.
     S koncem cyklu končí vznik ekvatoreálních "bublin", jejich pole je postupně transportováno do vyšších heliografických šířek, kde je základem aktivity nového cyklu. Na příklad v posledním minimu během otočky č. 1928 (říjen 1997) pozorujeme už jen velmi nepatrné zbytky tohoto rovníkového pole.
     I magnetická aktivita nového cyklu začíná vytvářením magnetických "bublin" ve vyšších šířkách. Ty jsou však ještě rychleji, už běhen další rotace, velmi silně ovlivňovány, zejména protahovány a deformovány diferenciální rotací, takže je velice obtížné stanovit co je nově se vynořivší pole a která část eventuálně vznikla interakcí polí nebo nějakým jiným procesem. V prvé fázi nového cyklu na periferii "bublin" je patrno několik slabých skupin majících magnetickou orientaci starého cyklu.
     Během pozorovací sezóny v roce 1996 byla ondřejovským fotoelektrickým magnetografem se zesílenou citlivostí pro měření radiálních rychlostí (Klvaňa, Bumba, 1994) získána řada sérií měření velkých částí viditelného disku Slunce (čtverce s největší plochou ~60°×~60°). Tato měření pokrývala jednak oblast největší "magnetické bubliny" v červnu (Carringtonovská rotace č. 1910), jednak oblast bez jakékoli magnetické aktivity v polovině srpna (okolo heliografické délky L = 50 ). Měření byla prováděna v čarách FeI 525,347 nm a MgI 517,27 nm v rychlém módu měření, s nejnižším rozlišením (plocha štěrbiny 6.4"×9.6"), tedy s velkou integrací (praktické rozlišení tedy bylo 10"). Měření trvala okolo hodiny. Vyloučili jsme diferenciální rotaci a určili střední rychlost pro celou měřenou oblast. Pak jsme sestrojili mapu rozložení lokálních komponent Dopplerových rychlostí. Amplitudy těchto rychlostí nikde ani nedosáhly 250 m/s a nenašli jsme žádný rozdíl v rozdělení rychlostí mezi oběma daty, ani náznak nějakého strukturálního uspořádání těchto lokálních Dopplerových rychlostí v případě mapy, pokrývající "magnetickou bublinu".

4. DISKUSE VÝSLEDKŮ.

     Z toho co jsme uvedli, je patrno, že starý a nový cyklus jsou velice úzce propojeny. Základním činitelem tohoto spojení je magnetické pole, jeho globální rozložení, zákonitosti jeho vzniku a konvekce. Magnetické "bubliny", tak jak je pozorujeme, tvoří vlastně základ výskytu a vývoje komplexů aktivity, které jsme popsali s R. Howardem už v roce 1965. Vznikají zřejmě na dně konvektivní zóny, kterou "probublávají" skutečně jako obrovské "bubliny". Na jejich dalším přetváření se pak zřetelně podílí konvekce. Jejich vývoj připomíná z počátku pramen tryskající ve studánce, jehož hlavní proud je obklopen řadou malých vírů, do kterých částečně disipuuje jeho pohybová energie. Fyzikální podmínky v nich se zejména v době minima sluneční aktivity musí zřetelně lišit od ostatní klidné fotosféry, a to přítomností uspořádaného magnetického a rychlostního pole. Bohužel zatím nedovedeme říci proč se liší rozdělení polarit jejich magnetického pole ve starém a novém cyklu, i když šířková vzdálenost jejich středů je několikráte menší než jejich plně vyvinutý průměr.
     Pravidelnosti v délkovém rozložení "bublin" souvisí zřejmě s rozložením jejich hloubkových zdrojů. Ale řada jejich charakteristik, včetně rozložení polarit, by mohla souviset s procesy probíhajícími ve vyšších vrstvách konvektivní zóny. Naznačují to na příklad některé pravidelnosti v rozložení polarit ve vyvíjejících se skupinách slunečních skvrn během jejich aktivní fáze, rozmístění jednotlivých aktivních oblastí a jejich vztah ke konvektivním elementům a pod. Mnoho otázek zde zatím zůstává nedořešených.

Poděkování:

Tato práce byla realizována díky grantovým projektům GAČR 205/97/0500, GAAV A3003903 a Klíčovému projektu AVČR K1-003-601,
 
 

Obr. 1 Nahoře: Rozložení aktivních oblastí během studovaného intervalu v heliografické délce (osa x). Čas po jednotlivých Carringtonových otočkách postupuje dolů (osa y). Kroužky s křížkem uvnitř representují oblasti patřící ke starému cyklu aktivity, plné kroužky representují oblasti nového cyklu. Průměr kroužků je úměrný ploše aktivní oblasti. Graf je opakován dvakrát, aby bylo lépe patrno délkové rozložení. Dole: Rovníková magnetická pole +/-(20°): rozložení oblastí se zápornou polaritou pole (plné kroužky) v heliografických délkách ve stejném časovém úseku jako v horním grafu. Graf je opět opakován dvakrát.

Obr. 2. Délkové rozložení rovníkových magnetických polí se zápornou polaritou (prázdné kroužky) překryté grafem rozložení aktivních oblastí (plné kroužky). Oba cykly nejsou rozlišeny.

Obr. 3. Serie částí synoptických map magnetického pole z observatoře Kitt Peak v intervalu heliografických délek 120 až 360 pro Carringtonovy otočky číslo 1909 až 1918.