Единая база данных параметров рентгеновских вспышек и групп пятен разных классов (McIntosh) за три цикла солнечной активности 1977-2007 гг

Для физического анализа вспышечного процесса и магнитной активности Солнца необходимо исследовать параметры вспышек, соотносящихся с группами пятен разной классификации (McIntosh). В рамках таких исследований решение ряда задач должно основываться на единой базе данных (ЕБД), включающей в себя как характеристики вспышек, так и параметры активных областей.

Ранее, в работе [Касинский, Сотникова, 1990] было выполнено систематическое изучение пространственного распределения вспышек в комплексах активности разной степени сложности, включающих более 400 групп пятен. Координаты вспышек вычислялись в системе центра тяжести каждой группы пятен и затем наносились на диаграмму долгота– широта. Количественное исследование пространственной асимметрии распределения вспышек и парных комплексов с привлечением строгих статистических методов показало, что факт преимущественного появления вспышек в промежуточной области комплекса активности не случаен с большой степенью вероятности.

Наиболее характерным проявлением вспышки является ее свечение в мягком рентгеновском диапазоне. Во время вспышки общий рентгеновский поток может увеличиваться в сотни раз. Такие изменения проявляются и в состоянии земной атмосферы, что говорит о необходимости постоянного мониторинга потока рентгеновского излучения в околоземном пространстве. С развитием спутниковых исследований Солнца появилась возможность прямых измерений потоков мягкого рентгеновского излучения в отдельных диапазонах. Накоплен многолетний материал ежедневных наблюдений рентгеновских вспышек спутниками GOES, который содержит в себе большой потенциал для исследований в области физики Солнца.

Рентгеновское излучение всего диска Солнца регулярно регистрируется на спутниках серии GOES с 1976 г. в диапазоне 1–8 Å: измеряется ежедневное фоновое излучение потока мягкого рентгеновского излучения с энергиями 12.5–1 кэВ. Соответствующий индекс обозначается прописными латинскими буквами A, B, C, M, X, характеризующими порядок величины потока в этом диапазоне (10–8 Вт/м2, 10–7 и т. д.) с последующим числом в пределах от 1 до 9.9, дающим само значение потока [Ишков, Шибаев, 2006]. Так, например, М2.5 означает уровень потока 2.5·10–5 Вт/м2. В итоге получается следующая шкала оценок потока (в Вт/м2):

А(1÷9)–(1÷9)·10–8

В(1÷9)–(1÷9)·10–7 С(1÷9)–(1÷9)·10–6 М(1÷9)–(1÷9)·10–5 Х(1÷9)–(1÷9)·10–4

Эта же система применяется и для обозначения рентгеновского балла солнечной вспышки.

Общее описание базы данных

Используемые в настоящей базе данных (БД) прямые измерения потоков мягкого рентгеновского излучения солнечных вспышек 1–8 Å получены в 1977–2007 гг. По длительности этот период соответствует трем циклам солнечной активности.

Основу БД составляют данные о вспышках, полученные программой GOES и публикуемые на сайте NOAA. В данных GOES указаны дата вспышки , время начала, время максимальной стадии развития (максимальной интенсивности), время конца, рентгеновский класс, координаты вспышки на Солнце и номер активной области, над которой или в окрестностях которой наблюдалась вспышка. Для наблюдений 1977–1987 гг. автором была выполнена компиляция данных GOES в электронный каталог рентгеновских вспышек, который содержал исходную БД за один цикл солнечной активности. Затем была вычислена полная энергия каждой рентгеновской вспышки по дням наблюдений и построены интегральные энергетические спектры (ИЭС) вспышек за 11-летний цикл солнечной активности [Kasinsky, Sotnicova, 1989]. Было установлено, что ИЭС имеет степенной вид с показателем спектра, близким показателю оптических вспышек Солнца и звезд солнечного типа.

Открытие вспышечных процессов на звездах говорит о физической аналогии между солнечной и звездной активностью [Гершберг, 1998]. В результате изучения двух типов вспышечной активности можно прийти к более полному пониманию механизма

Фрагмент выборки главной базы данных для 1978 г.

Дата вспышки	Время наблюдения вспышки						Рентгеновский		Длительность вспышки на фазе (мин)
	начало		максимум		конец		балл	индекс	роста	спада	общ.
	час	мин	час	мин	час	мин
08.02	18	58	19	04	19	17	С	2	6	13	19
09.02	17	0	17	04	17	10	С	1	4	6	10
08.03	14	25	14	30	14	55	С	1	5	25	30
13.04	23	34	23	44	23	59	М	2	10	15	25
12.10	1	58	2	0	2	20	Х	1	2	20	22

(Продолжение)

Дата вспышки	Энергия вспышки на фазе			№ АО	Класс АО	Координаты вспышки	Балл вспышки в оптическом диапазоне
	роста	спада	общ.
08.02	5.1·1026 E	6.6·1026 E	1.2·1027 E	782	D	S38E40	SN
09.02	1.5·1026 E	1.4·1026 E	2.9·1026 E	782	E	S40E30	SF
08.03	1.9·1026 E	5.7·1026 E	7.6·1026 E	790	H	N20E01	SN
13.04	8.4·1027 E	7.6·1027 E	1.6·1028 E	807	D	S21E58	2F
12.10	8.4·1027 E	5.1·1028 E	5.9·1028 E	908	D	N08W03	1B

вспышек. Кроме того, объем данных, накопленных по рентгеновским вспышкам Солнца, служит исходной базой для понимания переменности звезд определенного класса. Поэтому в дальнейшем составление БД было распространено на два цикла активности, выполнено количественное исследование интегральных энергий вспышек и их длительностей в зависимости от фазы солнечного цикла и показано изменение этих параметров в цикле [Сотникова, 2000].

В литературе по звездным вспышкам природа цикличности на звездах практически не объясняется, однако рассматривается общий аспект роли магнитных полей в образовании вспышек. Магнитная активность Солнца (звезды класса G2) носит циклический характер, что не вызывает никаких сомнений. Одиннадцатилетний цикл Солнца синхронизирует все проявления солнечной активности – от числа пятен и величин магнитного поля до потока излучения в микроволновом диапазоне. Поэтому возможно, что изменение энергетических параметров солнечных вспышек в цикле является следствием существования 11-летнего цикла. В то же время возможно, что для всего Солнца изменение ИЭС в цикле происходит только за счет того, что с циклом активности изменяется процентное соотношение групп пятен – основных носителей магнитного поля – разной классификации и продуктивности вспышек. Для уточнения этого вопроса необходимо рассмотреть связь энергетического спектра вспышек с группами пятен разной классификации. Следовательно, БД необходимо было дополнить параметрами солнечных пятен, отражающими их эволюцию.

Модифицированная цюрихская классификация групп солнечных пятен (McIntosh) основана на визуально наблюдаемом развитии группы и является эволюционной. Она включает семь классов: A, B, C, D, E, F, H. Каждый класс отражает определенную стадию развития группы. Так, например, группы, относящиеся к классам A, B, C, – это развивающиеся группы, а группы классов E, F – распадающиеся. Большие группы при своем развитии и распаде проходят все указанные стадии. Группы средних размеров не проходят через стадии E–F. Наиболее полная картина развития активной области представлена в работе [Степанян, 1992].

В данных [PRAF of SGD…] имеются ежедневные характеристики активных областей (АО) – групп солнечных пятен. Для каждой активной области указан ее класс в соответствии с цюрихской модифицированной классификацией групп пятен. Известно, что группа пятен может существовать в течение нескольких дней и в процессе своей эволюции иметь разные классы. Для каждой активной области на протяжении всего периода существования указывается ее McIntosh-класс в каждый день наблюдений.

При разработке ЕБД [Сотникова и др., 2012; Сотникова, 2013] использовались параметры двух вышеуказанных таблиц: GOES и SGD. Работа над составлением БД включала следующие предварительные этапы.

• •    Сопоставление каждой рентгеновской вспышки с соответствующей ей активной областью (McIntosh-класс).

• •    Расчет длительности, времени роста и времени спада для каждой вспышки.

• •    Расчет интегральной энергии каждой вспышки и энергии, выделившейся на фазах роста и спада.

• •    Оформление результатов в виде электронных таблиц для каждого года на протяжении трех циклов СА.

Главное окно единой базы данных.

Иллюстрация этого этапа создания БД представлена в таблице для нескольких вспышек 1978 г.

Далее основной этап состоял в том, чтобы выявить вспышки, соотносящиеся с группами пятен, и так называемые беспятенные вспышки, а затем в зависимости от данного сопоставления разделить все вспышки на две группы: вспышки от активных областей (группа АО) и вспышки, с ними не соотносящиеся (NО).

На заключительном этапе комплектации БД для группы АО были выявлены вспышки, соответствующие активным областям каждого класса (A, B, C, D, E, F, H), и созданы БД по вспышкам для каждого из этих классов.

В настоящее время БД содержит полное число вспышек (62 480), и электронный каталог рентгеновских вспышек охватывает период 1977–2007 гг. В зависимости от вида содержащейся информации данные в базе расположены в структурных разделах и могут пополняться.

Внутренняя структура файлов данных

Единая база данных «Рентгеновские вспышки» создана в среде MS ACCESS. Информация, собранная в ЕБД, представлена в таблице. Главная таблица содержит следующую информацию о рентгеновских вспышках начиная с января 1977 г.: дата; промежуток времени наблюдения; длительность; время роста; время спада; координаты на диске Солнца; энергетические характеристики (энергия, выделившаяся на фазе роста, спада и полная); балл в оптическом диапазоне; номер активной области и класс группы солнечных пятен.

Каждый текстовый файл содержит данные за один год (число в его имени указывает год). Остальные таблицы носят вспомогательный характер и служат для поиска информации в главной базе. На основании вспомогательных таблиц созданы запросы и формы для работы с БД. Кроме непосредственного доступа к файлам данных, предусмотрена также возможность использования интерактивного поискового механизма, позволяющего из отдельных файлов БД по различным критериям в режиме online получить выборку необходимых данных (например, просмотреть вспышки, произошедшие в данный день, вспышки данного рентгеновского балла или данного McIntosh-класса, вспышки данной АО или вспышки, произошедшие в данном цикле солнечной активности). Главное окно ЕБД показано на рисунке.

В БД предусмотрена возможность представления информации в графическом режиме. Так, формы «Энергия» и «Длительности» позволяют графически в виде диаграмм просмотреть суммарную энергию и суммарную длительность вспышек, длительность фазы роста или спада вспышек, произошедших по дням данного месяца и данного года.

Работа с базой данных происходит в среде MS ACCESS: просмотр и редактирование, добавление новых данных, поиск информации по конкретным вспышкам.

Первые результаты базы данных

На основе ЕБД для каждого года в течение трех циклов активности получены интегральные энергетические спектры вспышек и определены их показатели.

Установлено, что показатель спектра для вспышек каждого McIntosh-класса изменяется с фазой цикла. Этот результат говорит о том, что данные вариации не являются следствием перераспределения в цикле мощных и слабых вспышек, а отражают внутреннюю причину цикличности в активности Солнца.

Новым результатом является заметная 22-летняя модуляция показателя спектра всех вспышек, что подтверждает его корреляцию с магнитным циклом Хейла [Sotnikova, 2010].

Выводы

Создана единая база данных рентгеновских вспышек, соотносящихся с группами пятен разных классов цюрихской модифицированной классификации McIntosh. Получено свидетельство о ее регистрации.

Установлена связь рентгеновских 1–8 Å вспышек с классом групп солнечных пятен, проявляющаяся в различии показателя интегрального энергетического спектра вспышек для каждого класса.

Показатель спектра всех вспышек коррелирует с пятенным циклом и показывает заметную 22-летнюю модуляцию, что подтверждает корреляцию с магнитным циклом Хейла.

База данных размещена на сайте Иркутского государственного университета []. Заинтересованные пользователи могут заказать и получить CD-версию БД.

Создание БД поддержано Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. в рамках Соглашения о представлении гранта № 8407 от 24.08.2012 г.