Изменение солнечной активности

11-летний цикл солнечной активности

7 месяцев назад Нету коментариев

В середине прошлого столетия астроном-любитель Г. Швабе и Р. Вольф впервые установили факт измене­ния числа солнечных пятен со временем, причем сред­ний период этого изменения составляет 11 лет. Об этом можно прочесть почти во всех популярных книжках о Солнце. Но мало кто даже из специалистов слышал о том, что еще в 1775 г. П. Горребов из Копенгагена дерзнул утверждать, что существует периодичность сол­нечных пятен. К сожалению, ряд его наблюдений был слишком мал, чтобы установить продолжительность это­го периода. Высокий научный авторитет противников точки зрения Горребова и артиллерийский обстрел Ко­пенгагена, уничтоживший все его материалы, сделали все для того, чтобы об этом утверждении забыли и не вспоминали даже тогда, когда оно было доказано дру­гими.

Конечно, все это нисколько не умаляет научных за­слуг Вольфа, который ввел индекс относительных чисел солнечных пятен и сумел по различным материалам на­блюдений астрономов-любителей и профессионалов вос­становить его с 1749 г. Более того, Вольф определил годы максимальных и минимальных чисел пятен еще со времени наблюдений Г. Галилея, т. е. с 1610. Это и позволило ему упрочить весьма несовершенную работу Швабе, располагавшего наблюдениями только за 17 лет, и впервые определить продолжительность среднего периода изменения числа солнечных пятен. Так по­явился знаменитый закон Швабе—Вольфа, согласно ко­торому изменения солнечной активности происходят пе­риодически, причем длина среднего периода составляет 11,1 года (рис. 12). Конечно, в то время говорилось только об относительном числе солнечных пятен. Но со временем этот вывод был подтвержден для всех изве­стных индексов солнечной активности. Многочисленные иные периоды активных солнечных явлений, особенно более короткие, которые были обнаружены исследова­телями Солнца за прошедшие 100 с лишним лет, неиз­менно опровергались, и только 11-летний период всегда оставался незыблемым.

Кривая среднегодичных цюрихских относительных чисел солнечных пятен…

Хотя изменения солнечной активности происходят периодически, эта периодичность особая. Дело в том, что интервалы времени между годами максимальных (или минимальных) чисел Вольфа довольно сильно различаются. Известно, что с 1749 г. до наших дней продолжительность их колебалась от 7 до 17 лет между годами максимумов и от 9 до 14 лет между годами минимумов относительного числа солнечных пятен. Поэто­му правильнее будет говорить не об 11-летнем периоде, а об 11-летнем цикле (т. е. периоде с возмущениями, или «скрытом» периоде) солнечной активности. Этот цикл имеет исключительно важное значение как для проникновения в сущность солнечной активности, так и для изучения солнечно-земных связей.

Но 11-летний цикл проявляется не только в измене­нии частоты солнечных новообразований, в частности, солнечных пятен. Его можно обнаружить также по изме­нению со временем широты групп пятен (рис. 13). Это обстоятельство привлекло внимание известного англий­ского исследователя Солнца Р. Кэррингтона еще в 1859 г. Он обнаружил, что в начале 11-летнего цикла пятна обычно появляются на высоких широтах, в сред­нем на расстоянии ±25—30° от экватора Солнца, тогда как в конце цикла предпочитают участки ближе к экватору, в среднем на широтах ±5—10°. Позже это гораздо убедительнее показал немецкий ученый Г. Шперер. Сначала этой особенности не придавали особого значения. Но потом положение резко измени­лось. Оказалось, что среднюю продолжительность 11-летнего цикла можно определить гораздо точнее по изменению широты групп солнечных пятен, чем по ва­риациям чисел Вольфа. Поэтому ныне закон Шперера, который свидетельствует об изменении широты групп пятен с ходом 11-летнего цикла, наряду с законом Шва­бе — Вольфа выступает как основной закон солнечной цикличности. Все дальнейшие работы в этом направле­нии только уточняли детали и по-разному объясняли эту вариацию. Но они, тем не менее, оставили неизмен­ной формулировку закона Шперера.

Диаграмма «бабочек» групп солнечных пятен…

Теперь мы обратимся к 11-летнему циклу солнечной активности, который в течение сотни с лишним лет со времени его открытия неизменно находился в центре внимания исследователей Солнца. За его кажущейся поразительной простотой на самом деле скрывается столь сложный и многогранный процесс, что мы всегда стоим перед опасностью потерять все или по крайней мере многое из того, что он перед нами уже раскрыл. Прав был один из наиболее известных специалистов по прогнозам солнечной активности немецкий астроном В. Глайсберг, когда в одной из своих популярных ста­тей сказал следующее: «Сколько раз исследователям солнечной активности казалось, что наконец-то им уда­лось окончательно установить все основные закономер­ности 11-летнего цикла. Но вот наступал новый цикл, и уже первые его шаги начисто отбрасывали всю их уверенность и заставляли заново пересматривать то, что они считали окончательно установленным». Может быть, в этих словах немного сгущены краски, но суть их, бе­зусловно, верна, особенно когда речь идет о прогнозе солнечной активности.

Как мы уже говорили, в определенные годы числа Вольфа имеют максимальную или минимальную вели­чину. Эти годы или еще более точно определенные мо­менты времени, например, кварталы или месяцы, назы­вают соответственно эпохами максимума и минимума 11-летнего цикла, или, более обще, эпохами экстрему­мов. Среднемесячные и среднеквартальные значения относительных чисел пятен, помимо в общем регуляр­ного, плавного изменения, характеризуются очень неправильными, сравнительно кратковременными флуктуациями (см. раздел 5 этой главы). Поэтому обычно эпохи экстремумов выделяют по так называе­мым сглаженным среднемесячным числам Вольфа, ко­торые представляют собой усредненные особым спосо­бом за 13 месяцев величины этого индекса, полученного из наблюдений, или по верхней и нижней огибающим кривых изменения среднеквартальных значений относи­тельных чисел пятен. Но иногда применение таких ме­тодов может привести к ложным результатам, особенно в низких циклах, т. е. циклах с небольшим максималь­ным числом Вольфа. Интервал времени от эпохи мини­мума до эпохи максимума 11-летнего цикла получил на­звание ветви роста, а от эпохи максимума до эпохи следующего минимума — ветви его спада (рис. 14).

Схема кривой 11-летнего цикла солнечной активности

Продолжительность 11-летнего цикла по эпохам ми­нимума определяется гораздо лучше, чем по эпохам максимума. Но и в этом случае возникает затруднение, которое заключается в том, что следующий цикл, как правило, начинается раньше, чем заканчивается преды­дущий. Теперь мы научились различать группы пятен нового и старого циклов по полярности их магнитного поля. Но такая возможность появилась немногим более 60 лет назад. Поэтому ради сохранения однородности методики приходится довольствоваться все-таки не ис­тинной длиной 11-летнего цикла, а неким ее «эрзацем», определяемым по эпохам минимальных чисел Вольфа. Вполне естественно, что в этих числах обычно объедине­ны группы пятен нового и старого 11-летних циклов. 11-летние циклы солнечных пятен отличаются не только различной длиной, но и различной их интенсив­ностью, т. е. разными значениями максимальных чисел Вольфа. Мы уже говорили о том, что регулярные дан­ные о среднемесячных относительных числах пятен цюрихского ряда имеются с 1749 г. Поэтому первым цюрихским 11-летним циклом считают цикл, начавший­ся в 1775 г. Предшествую­щий же ему цикл, содержа­щий неполные данные, види­мо, по этой причине полу­чил нулевой номер. Если за прошедшие со времени на­чала регулярного определе­ния чисел Вольфа 22 цикла (включая нулевой и еще не закончившийся, но уже прошедший свой максимум текущий) максимальное среднегодичное число Воль­фа в среднем равнялось 106, то в различных 11-летних циклах оно испытывало ко­лебание от 46 до 190. Особенно высоким был закончив­шийся в 1964 г. 19-й цикл. В его максимуме, который наступил в конце 1957 г., среднеквартальное число Вольфа равнялось 235. Второе место вслед за ним за­нимает нынешний, 21-й цикл, максимум которого про­шел в конце 1979 г. со среднеквартальным относитель­ным числом солнечных пятен 182. Самые низкие циклы солнечных пятен относятся к началу прошлого столе­тия. Один из них, 5-й по цюрихской нумерации, самый продолжительный из наблюдавшихся 11-летних цик­лов. Некоторые исследователи солнечной активности даже сомневаются в реальности его продолжительности и считают, что она полностью обязана «деятельности» на поприще науки Наполеона I. Дело в том, что все­цело поглощенный ведением победоносных войн фран­цузский император мобилизовал в армию почти всех астрономов обсерваторий Франции и покоренных им стран. Поэтому в те годы наблюдения Солнца велись столь редко (не более нескольких дней за месяц), что вряд ли можно доверять полученным тогда числам Вольфа. Трудно сказать, насколько основательны по­добные сомнения. Кстати, косвенные данные о солнеч­ной активности за это время не противоречат выводу о низком уровне относительных чисел солнечных пятен в начале XIX в. Однако просто так эти сомнения от­бросить тоже нельзя, поскольку они позволяют изба­виться от некоторых исключений, в особенности для отдельных 11-летних циклов. Любопытно, что второй самый низкий цикл, максимум которого относится к 1816 г., имел длину всего 12 лет, в отличие от сво­его предшественника.

Поскольку мы располагаем данными за двести с лишним лет только о числах Вольфа, все основные свойства 11-летних циклов солнечной активности выве­дены именно для этого индекса. С легкой руки масти­того первооткрывателя 11-летнего цикла более пятиде­сяти лет исследователи солнечной активности были за­няты главным образом поисками полного набора цик­лов продолжительностью от нескольких месяцев до сотни лет. Р. Вольф, убежденный в том, что солнечная цикличность — плод воздействия на Солнце планет Солнечной системы, сам положил начало этим поискам. Однако все эти работы дали гораздо больше для раз­вития математики, чем для изучения солнечной актив­ности. Наконец, уже в 40-х годах нынешнего столетия, один из «наследников» Вольфа по Цюриху М. Вальд­майер осмелился усомниться в правоте своего «научно­го прадеда» и перенес причину 11-летней цикличности внутрь самого Солнца. Именно с этого времени соб­ственно и началось настоящее исследование главных внутренних свойств 11-летнего цикла солнечных пятен.

Интенсивность 11-летнего цикла довольно тесно связана с его длительностью. Чем мощнее этот цикл, т. е. чем больше его максимальное относительное число пятен, тем меньше его продолжительность. К сожале­нию, эта особенность носит скорее чисто качественный характер. Она не позволяет достаточно надежно опре­делить значение одной из этих характеристик, если из­вестна вторая. Гораздо увереннее выглядят результаты изучения связи максимального числа Вольфа (точнее, его десятичного логарифма) с длиной ветви роста 11-летнего цикла, т. е. той частью кривой, которая характеризует нарастание чисел Вольфа от начала цикла до его максимума. Чем больше максимальное число солнечных пятен в этом цикле, тем короче ветвь его роста. Таким образом, форма циклической кривой 11-летнего цикла в значительной степени определяется его высотой. У высоких циклов она отличается большой асимметрией, причем длина ветви роста всегда короче длины ветви спада и равна 2—3 годам. У сравнительно слабых циклов эта кривая почти симметрична. И лишь самые слабые 11-летние циклы вновь показывают асимметрию, только противоположного типа: у них ветвь роста длиннее ветви спада.

В противоположность длине ветви роста, длина вет­ви спада 11-летнего цикла тем больше, чем выше его максимальное число Вольфа. Но если предыдущая связь очень тесная, то эта гораздо слабее. Вероятно, именно поэтому максимальное относительное число пятен только качественно определяет продолжитель­ность 11-летнего цикла. Вообще ветвь роста и ветвь спада основного цикла солнечной активности во многих отношениях ведут себя по-разному. Начать хотя бы с того, что если на ветви роста сумма среднегодичных чисел Вольфа почти не зависит от высоты цикла, то на ветви спада она определяется именно этой характери­стикой. Не удивительно, что столь неудачными были попытки представить кривую 11-летнего цикла матема­тическим выражением не с двумя, а с одним парамет­ром. На ветви роста многие связи оказываются гораз­до более четкими, чем на ветви спада. Создается впе­чатление, что именно особенности усиления солнечной активности в самом начале 11-летнего цикла диктуют его характер, тогда как его поведение после максимума в общем примерно одинаково во всех 11-летних циклах и различается только вследствие разной длины ветви спада. Впрочем, скоро мы увидим, что это первое впе­чатление нуждается в одном важном дополнении.

Свидетельства в пользу определяющего значения ветви роста 11-летнего цикла дали исследования цик­лических изменений суммарной площади солнечных пятен. Выяснилось, что по длине ветви роста можно достаточно надежно установить максимальное значение суммарной площади пятен. Ранее уже говорилось о том, что в этот индекс в неявной форме включено число групп пятен. Вполне естественно поэтому, что для него мы получаем, в сущности, те же выводы, что и для чи­сел Вольфа. Гораздо хуже известны закономерности 11-летнего цикла для частоты других явлений солнеч­ной активности, в частности, солнечных вспышек. Чисто качественно можно полагать, что для них они окажут­ся такими же, как для относительных чисел и суммар­ной площади солнечных пятен.

До сих пор мы имели дело с явлениями солнечной активности любой мощности. Но, как мы уже знаем, явления на Солнце очень сильно отличаются по своей интенсивности. Даже в обыденной жизни вряд ли кто поставит на одну доску легкое перистое облачко и большую черную тучу. А пока мы поступали именно так. И вот что любопытно. Стоит только разделить ак­тивные солнечные образования по их мощности, как мы приходим к довольно разноречивым результатам. Явле­ния слабой или средней интенсивности в общем дают ту же кривую 11-летнего цикла, что и числа Вольфа. Это относится не только к числу пятен, но и к числу факельных площадок, и к числу солнечных вспышек. Что же касается наиболее мощных активных образова­ний на Солнце, то они чаще всего встречаются не в саму эпоху максимума 11-летнего цикла, а через 1—2 года после нее, а иногда и до этой эпохи. Таким образом, для этих явлений циклическая кривая либо становится двухвершинной, либо сдвигает свой макси­мум на более поздние по отношению к числам Вольфа годы. Именно таким образом ведут себя самые боль­шие группы солнечных пятен, самые большие и яркие кальциевые флоккулы, протонные вспышки, всплески радиоизлучения IV типа. Аналогичную форму имеют кривые 11-летнего цикла для интенсивности зеленой корональной линии, потока радиоизлучения на метро­вых волнах, средней напряженности магнитных полей и средней продолжительности жизни групп солнечных пятен, т. е. индексов мощности явлений.

Наиболее своеобразно проявляется 11-летний цикл в законе Шперера для различных процессов солнечной активности. Как мы уже знаем, для групп солнечных пятен он выражается в изменении в среднем широты их появления от начала к концу цикла. При этом по мере развития цикла скорость такого «сползания» зоны солнечных пятен к экватору постепенно уменьшается и через 1—2 года после эпохи максимума чисел Вольфа оно вовсе прекращается, когда зона достигает «барье­ра» в интервале широт 7°,5—12°,5. Дальше происхо­дят только колебания зоны вокруг этой средней широ­ты. Создается впечатление, что 11-летний цикл «рабо­тает» только до этого времени, а затем постепенно как бы «рассасывается». Известно, что пятна охватывают довольно широкие зоны по обе стороны от экватора Солнца. Ширина этих зон тоже изменяется с течением 11-летнего цикла. Они самые узкие в начале цикла и самые широкие в эпоху его максимума. Именно этим объясняется то обстоятельство, что в наиболее мощных циклах, таких, как 18-й, 19-й и 21-й цюрихской нумера­ции, самые высокоширотные группы пятен наблюда­лись не в начале цикла, а в годы максимума. Группы пятен малых и средних размеров располагаются прак­тически по всей ширине «королевских зон», но предпо­читают концентрироваться к их центру, положение ко­торого все приближается к экватору Солнца по мере развития цикла. Наиболее крупные группы пятен «об­любовали» края этих зон и только изредка «снисходят» к внутренним их частям. Если судить только по распо­ложению этих групп, то можно подумать, что закон Шперера является лишь статистической фикцией. По­добным же образом ведут себя и солнечные вспышки разной мощности.

На ветви спада 11-летнего цикла средняя широта групп солнечных пятен, начиная с ±12°, не зависит от высоты цикла. В то же время в год максимума она определяется максимальным числом Вольфа в этом цикле. Более того, чем мощнее 11-летний цикл, тем на более высоких широтах появляются его первые группы пятен. В то же время широты групп в конце цикла, как мы уже видели, в сущности, в среднем одинаковы безотносительно к тому, какова его мощность.

Северное и южное полушария Солнца проявляют себя весьма по-разному в отношении развития в них 11-летних циклов. К сожалению, числа Вольфа опреде­лялись только для всего солнечного диска. Поэтому мы располагаем по данному вопросу довольно скромным материалом Гринвичской обсерватории о числе и пло­щадях групп пятен примерно за сто лет. Но все же гринвичские данные позволили выяснить, что роль се­верного и южного полушарий заметно изменяется от одного 11-летнего цикла к другому. Это выражается не только в том, что во многих циклах одно из полуша­рий определенно выступает в роли «дирижера», но и в различии формы циклической кривой этих полушарий в одном и том же 11-летнем цикле. Такие же свойства были обнаружены и по числу групп солнечных пятен и по их суммарным площадям. Более того, нередко эпохи максимума цикла в северном и южном полуша­риях Солнца отличаются на 1—2 года. Подробнее об этих различиях мы будем говорить при рассмотрении продолжительных циклов. А пока в качестве примера вспомним лишь, что в самом высоком 19-м цикле сол­нечная активность определенно преобладала в северном полушарии Солнца. При этом эпоха максимума в юж­ном полушарии наступила на два с лишним года рань­ше, чем в северном.

До сих пор мы рассматривали особенности развития 11-летнего цикла солнечной активности только для явле­ний, происходящих в «королевских зонах» Солнца. На более высоких широтах этот цикл, по-видимому, начи­нается раньше. В частности, давно уже было известно, что увеличение числа и площади протуберанцев в интер­вале широт ±30—60° происходит примерно за год до начала 11-летнего цикла пятен и низкоширотных про­туберанцев. Любопытно, что если в «королевских зо­нах» средняя широта появления протуберанцев с ходом цикла постепенно уменьшается, подобно тому, как это происходит с группами солнечных пятен, то более вы­сокоширотные протуберанцы имеют в начале цикла в среднем меньшую широту, чем в его конце. Нечто по­добное наблюдается и у корональных конденсаций. Не­которые исследователи считают, что для зеленой коро­нальной линии 11-летний цикл начинается примерно на 4 года раньше, чем для групп пятен. Но сейчас еще трудно сказать, насколько надежен этот вывод. Не ис­ключено, что на самом деле на Солнце постоянно со­храняется высокоширотная зона корональной активно­сти, которая с учетом данных, полученных для более низких широт, и приводит к такому кажущемуся ре­зультату.

Еще необычнее ведут себя слабые магнитные поля вблизи его полюсов. Они достигают минимальной ве­личины напряженности примерно в годы максимума 11-летнего цикла и в это же время полярность поля ме­няется на противоположную. Что же касается эпохи минимума, то в этот период напряженность полей до­вольно значительна и полярность их остается неизмен­ной. Любопытно, что изменение полярности поля вбли­зи северного и южного полюсов происходит не одновре­менно, а с разрывом в 1—2 года, т. е. все это время полярные области Солнца обладают одинаковой поляр­ностью магнитного поля.

Число полярных факелов изменяется параллельно с величиной напряженности поля вблизи полюсов Солн­ца в каждом его полушарии (между прочим, предваряя практически такое же изменение чисел Вольфа пример­но через 4 года). Поэтому, хотя мы располагаем дан­ными о слабых полярных магнитных полях менее чем за три 11-летних цикла, результаты наблюдений поляр­ных факельных площадок позволяют сделать вполне определенный вывод относительно их циклических из­менений. Таким образом, магнитные поля и факельные площадки в полярных областях Солнца отличаются тем, что их 11-летний цикл начинается в максимуме 11-летнего цикла солнечных пятен и достигает максиму­ма вблизи эпохи минимума пятен. Будущее покажет, насколько надежен этот результат. Но нам кажется, что если не вникать в детали, вряд ли последующие на­блюдения приведут к существенному его изменению. Любопытно, что полярные корональные дыры отлича­ются точно таким же характером 11-летней вариации.

Хотя солнечная постоянная, как уже говорилось, не испытывает ощутимых колебаний с ходом 11-летнего цикла, это отнюдь не означает, что подобным образом ведут себя и отдельные области спектра излучения Солнца. В этом читатель уже мог убедиться, когда рассматривались потоки радиоизлучения Солнца. Не­сколько слабее изменения интенсивности фиолетовых линий ионизованного кальция Н и К. Но и эти линии в эпоху максимума примерно на 40% ярче, чем в эпо­ху минимума 11-летнего цикла. Имеются данные, хотя и не совсем бесспорные, об изменении с ходом цикла глубины линий в видимой области солнечного спектра. Однако самые внушительные вариации излучения Солн­ца относятся к рентгеновскому и дальнему ультрафио­летовому диапазонам длин волн, возможность изучения которых дали искусственные спутники Земли и косми­ческие аппараты. Оказалось, что интенсивность рентге­новского излучения в интервалах длин волн 0—8 А, 8—20 А и 44—60 А от минимума к максимуму 11-летнего цикла возрастает в 500, 200 и 25 раз. Не менее ощути­мые изменения происходят и в спектральных областях 203—335 А и вблизи 1216 А (в 5,1 и 2 раза).

Как было обнаружено с помощью современных ма­тематических методов, существует так называемая тон­кая структура 11-летнего цикла солнечной активности. Она сводится к устойчивому «ядру» вокруг эпохи мак­симума, охватывающему примерно 6 лет, двум или трем вторичным максимумам и расщеплению цикла на две составляющие со средними периодами около 10 и 12 лет. Такая тонкая структура выявляется и в форме циклической кривой чисел Вольфа, и в «диаграмме ба­бочек». В частности, в самых высоких 11-летних цик­лах, кроме основной зоны солнечных пятен, имеется также высокоширотная зона, которая сохраняется толь­ко до эпохи максимума и смещается с ходом цикла не к экватору, а к полюсу. Кроме того, «диаграмма бабо­чек» для групп пятен представляет собой не единое целое, а как бы складывается из так называемых цепо­чек-импульсов. Суть этого процесса состоит в том, что, появляясь на сравнительно высокой широте, группа пятен (или несколько групп) за 14—16 месяцев смеща­ется к экватору Солнца. Такие цепочки-импульсы осо­бенно хорошо заметны на ветви роста и ветви спада 11-летнего цикла. Возможно, они связаны с флуктуациями солнечной активности.

Советский исследователь Солнца А. И. Оль устано­вил еще одно фундаментальное свойство 11-летнего цикла солнечной активности. Изучая связь между ин­дексом рекуррентной геомагнитной активности за по­следние четыре года цикла и максимальным числом Вольфа, он обнаружил, что она очень тесная, если чис­ло Вольфа относится к следующему 11-летнему циклу, и совсем слабая, если оно относится к тому же циклу, что и индекс геомагнитной активности. Отсюда следует, что 11-летний цикл солнечной активности зарождается «в недрах» старого. Рекуррентная геомагнитная актив­ность обусловлена корональными дырами, которые, как мы знаем, возникают, как правило, над униполярными областями фотосферного магнитного поля. Следователь­но, истинный 11-летний цикл начинается в середине вет­ви спада появлением и усилением не биполярных, а униполярных магнитных областей. Эта первая стадия развития заканчивается к началу того 11-летнего цикла, с которым мы привыкли иметь дело. В это время начинается его вторая стадия, когда развивают­ся биполярные магнитные области и все те явления солнечной активности, о которых мы уже говорили. Она длится до середины ветви спада привычного нам 11-летнего цикла, когда происходит зарождение нового цикла. Любопытно, что столь важная особенность 11-летнего цикла не была замечена непосредственно на Солнце, но ее удалось установить при изучении влия­ния солнечной активности на атмосферу Земли.

Целых одиннадцать дней на Солнце, вопреки известной поговорке, нет ни одного пятна. Это значит, что наша звезда вступает в период минимальной активности и в течение ближайшего года магнитные бури и рентгеновские вспышки станут редкостью. О том, что происходит с Солнцем, когда его активность вновь возрастет и чем объясняются эти спады и подъемы, мы попросили рассказать сотрудника Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, доктора физико-математических наук Сергея Богачева.

Сегодня на Солнце пятен нет

Поделиться

Среднемесячное число Вольфа на Солнце — индекс, которым ученые измеряют число солнечных пятен — за первые три месяца 2018 года опустилось ниже значения 10. До этого в 2017 году оно держалось на уровне 10–40, в еще годом ранее в отдельные месяцы достигало 60. Одновременно на Солнце почти перестали происходить солнечные вспышки, а вместе с ними к нулю стремится и число магнитных бурь на Земле. Все это свидетельствует о том, что наша звезда уверенно движется в сторону очередного минимума солнечной активности — состояния, в котором она оказывается приблизительно каждые 11 лет.

Само понятие солнечного цикла (а под ним понимается как раз периодическая смена максимумов и минимумов солнечной активности) является фундаментальным для физики Солнца. Вот уже более 260 лет, с 1749 года, ученые в ежедневном режиме следят за Солнцем и аккуратно записывают положение солнечных пятен и, конечно же, их число. И, соответственно, вот уже более 260 лет на этих кривых наблюдаются периодические изменения, чем-то похожие на биение пульса.

Каждому такому «удару солнечного сердца» присваивают номер, и всего с момента начала наблюдений таких ударов наблюдалось 24. Соответственно, именно столько солнечных циклов пока знакомо человечеству. Сколько же их было всего, существуют ли они все время, пока существует Солнце, или появляются эпизодически, меняется ли их амплитуда и продолжительность и какую длительность, например, имел солнечный цикл во времена динозавров — на все эти вопросы ответа нет, равно как на вопрос, характерен ли цикл активности для всех звезд солнечного типа или существует лишь на некоторых из них, и если существует, то будут ли две звезды с одинаковым радиусом и массой иметь одинаковый период цикла. Мы не знаем и этого.

Таким образоом, солнечный цикл относится к наиболее интересным солнечным тайнам, и хотя мы достаточно много знаем о его природе, все же многие фундаментальные его основы для нас все еще являются загадкой.

График солнечной активности, измеренной по числу пятен на Солнце, за всю историю наблюдений

SILSO data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Поделиться

Солнечный цикл тесно связан с наличием у Солнца так называемого тороидального магнитного поля. В отличие от земного магнитного поля, имеющего вид магнита c двумя полюсами — север и юг, линии которого направлены сверху вниз, на Солнце есть особый вид поля, который отсутствует (или неразличим) на Земле — это два магнитных кольца с горизонтальными линиями, которые опоясывают Солнце. Одно располагается в северном полушарии Солнца, а второе в южном, примерно симметрично, то есть на таком же расстоянии от экватора.

Основные линии тороидального поля лежат под поверхностью Солнца, но часть линий может всплывать на поверхность. Именно в этих местах, где магнитные трубки тороидального поля пробивают солнечную поверхность, и возникают солнечные пятна. Таким образом, число пятен в некотором смысле отражает мощность (или более точно — поток) тороидального магнитного поля на Солнце. Чем сильнее это поле, тем крупнее пятна, тем больше их число.

Соответственно, из того, что раз в 11 лет пятна на Солнце исчезают, можно сделать предположение, что раз в 11 лет на Солнце исчезает тороидальное поле. Да, так оно и есть. И собственно это — периодическое появление и исчезновение солнечного тороидального поля с периодом 11 лет — и является причиной солнечного цикла. Пятна же и их число лишь являются косвенными признаками этого процесса.

Почему же солнечный цикл измеряется по числу пятен, а не по силе магнитного поля? Ну, хотя бы потому, что в 1749 году магнитное поле на Солнце наблюдать, конечно, не могли. Магнитное поле Солнца было обнаружено лишь в начале XX века американским астрономом Джорджем Хейлом, изобретателем спектрогелиографа — прибора, способного с высокой точностью измерять профили линий солнечного спектра, и в том числе наблюдать их расщепление под действием эффекта Зеемана. Собственно, это было не только первое измерение поля Солнца, а вообще первое обнаружение магнитного поля у внеземного объекта. Так что астрономам XVIII-XIX веков только и оставалось, что наблюдать солнечные пятна, и у них не было никакой возможности даже догадаться об их связи с магнитным полем.

Но почему тогда пятна продолжают считать в наши дни, когда развита многоволновая астрономия, в том числе наблюдения из космоса, которые, конечно, дают много более точную информацию о солнечном цикле, чем простой подсчет числа Вольфа? Причина очень проста. Какой бы современный параметр цикла вы ни измерили и как бы точен он ни был, эту цифру нельзя будет сравнить с данными XVIII, XIX, да и большей частью XX века. Вы просто не поймете, насколько сильным или слабым является ваш цикл.

Последний цикл солнечной активности

SILSO data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Поделиться

Единственный способ такого сравнения — это посчитать число пятен, причем точно тем же методом и по точно той же формуле, что и 200 лет назад. Хотя возможно, что лет через 500, когда будут накоплены значительные ряды новых данных о числе вспышек, о потоках радиоизлучения, ряд чисел пятен окончательно утратит актуальность и сохранится лишь как часть истории астрономии. Пока же это не так.

Знание природы солнечного цикла позволяет делать некоторые предсказания о числе и расположении пятен на Солнце и даже точно определить момент, когда начинается новый солнечный цикл. Последнее утверждение может показаться сомнительным, так как в ситуации, когда число пятен снизилось почти до нуля, кажется невозможным уверенно утверждать, что пятно, которое было вчера, относилось к предыдущему циклу, а пятно сегодня — уже часть нового цикла. Тем не менее такой способ есть, и он связан именно со знанием природы цикла.

Так как солнечные пятна возникают в тех местах, где поверхность Солнца пробивают линии тороидального магнитного поля, то каждому пятну можно присвоить некую магнитную полярность — просто по направлению магнитного поля. Пятно может быть «северным» или «южным». Более того, так как трубка магнитного поля должна пробивать поверхность Солнца в двух местах, то и пятна должны преимущественно образовываться парами. При этом пятно, образовавшееся в месте, где линии тороидального поля выходят из поверхности, будет иметь северную полярность, а парное ему пятно, образовавшееся там, где линии уходят обратно — южную.

Поскольку тороидальное поле опоясывает Солнце как кольцо и направлено горизонтально, то и пары пятен ориентированы на диске Солнца преимущественно горизонтально, то есть располагаются на одной широте, но одно впереди другого. А так как направление линий поля во всех пятнах будет одинаковое (они ведь образованы одним магнитным кольцом), то и полярности всех пятен будут ориентированы одинаково. Например, первое, ведущее, пятно во всех парах будет северным, а второе, отстающее, южным.

Структура магнитных полей в районе солнечных пятен

Поделиться

Такой шаблон будет поддерживаться все время, пока существует данное кольцо поля, то есть все 11 лет. В другом же полушарии Солнца, где располагается симметричное второе кольцо поля, полярности также будут сохраняться все 11 лет, но иметь обратную направленность — первые пятна будут наоборот южными, а вторые — северными.

Что же происходит, когда меняется солнечный цикл? А происходит достаточно удивительная вещь, называемая переполюсовкой. Северный и южный магнитные полюса Солнца меняются местами, а вместе с ними меняется и направление тороидального магнитного поля. Сначала это поле проходит через ноль, это-то и называется солнечным минимумом, а затем начинает восстанавливаться, но уже с другим направлением. Если в предыдущем цикле передние пятна в каком-то полушарии Солнца имели северную полярность, то в новом цикле они уже будут иметь южную. Это и позволяет отличить друг от друга пятна соседних циклов и уверенно зафиксировать момент, когда начинается новый цикл.

Если же возвратиться к событиям на Солнце прямо сейчас, то мы наблюдаем процесс умирания тороидального поля 24-го солнечного цикла. Остатки этого поля все еще существуют под поверхностью и даже иногда всплывают наверх (в эти дни мы видим отдельные слабые пятна), но в целом это последние следы умирающего «солнечного лета», как отдельные последние теплые дни в ноябре. Несомненно, что уже в ближайшие месяцы это поле окончательно умрет и солнечный цикл достигнет очередного минимума.

Прогноз солнечной активности (зеленая часть кривой) на период до середины 2019 года

SILSO data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels

Поделиться

Сколько времени потребуется Солнцу, чтобы сформировать магнитные кольца нового цикла? Обычно на это уходит год или два, хотя даже та короткая 260-летняя история наблюдений, которая есть сейчас, показывает, что процесс этот очень непредсказуем и в истории наблюдений были как более быстрые, так и существенно более медленные процессы смены циклов, вплоть до полной заморозки этого процесса на десятилетия (маундеровский минимум). Пока же специалисты ждут появления пятен нового солнечного цикла в 2019 году. Если это произойдет, то дальше солнечный маховик начнет раскручиваться и очередного пика активности наша звезда достигнет в 2022–2024 годах.

Солнце нельзя считать полностью стабильной звездой, оно постоянно меняет силу излучения, тем самым проявляется солнечная активность. Причины этой активности находятся в глубинах нашей звезды и определяются совокупностью нестационарных процессов, которые возникают и развиваются в глубинных областях звезды.

Влияние на Землю

Активность Солнца несомненно влияет и на нашу планету, и на её биосферу. Фактически, наша звезда определяет характер и ритм жизни планеты. Без неё существование Земли и жизни на ней невозможно, но оно же и главная опасность для них.

Земля хорошо защищена своим мощным магнитным полем, и именно оно отбивает атаки жёсткого облучения, вызванные вспышками нашего светила. Мы можем наблюдать следы этой борьбы в высоких широтах, где через полярные воронки магнитного поля просачиваются частички солнечного ветра. Они взаимодействуют с молекулами и атомами газов атмосферы Земли, вызывая красочные северные сияния.

Воздействие на человека

Но красоту полярных сияний дополняют магнитные бури, воздействующие на работу некоторых приборов, да и на организм человека. Ученый А.Л. ЧижевскийЧижевский, Александр Леонидович советский учёный, биофизик, философ, поэт, художник. ещё в 20-х годах понял, что солнечная активность влияет на возникновение заболеваний. Особенно явно это проявляется в сердечно-сосудистых заболеваниях. Эпидемии, поражавшие человечество в разные века, тоже укладываются в теорию учёного. Чижевским была составлена хронология эпидемий чумы с середины пятого века до конца девятнадцатого. Вспышки смертельной болезни пришлись на пики солнечной активности.

Учёные из Японии установили, что вспышки на Солнце могут изменить количество лейкоцитов в крови. Более того, с конца XIX по вторую половину ХХ веков среднее количество лейкоцитов уменьшилось в три раза. Это полностью совпало с интенсивностью солнечной активности. Магнитные бури, рождаемые взрывами солнечной активности, приводят к сбоям механизма свёртывания крови. Нервные заболевания учащаются и обостряются. Человек быстрее утомляется, а количество дорожных происшествий увеличивается. Это происходит из-за влияния магнитных бурь на биоритмы мозга человека.

Изучение солнечной активности привело к созданию новых наук: гелиобиологии и солнечно-земной физики. Они призваны исследовать взаимную связь земной жизни и климата с активными солнечными проявлениями, потому что солнечная активность – главный стимулятор жизненных процессов.

Воздействие на природу

Животный и растительный миры тоже зависимы от солнечной активности. Именно в их высшие значения саранча собирается в полчища, а рыбы увеличивают свою численность. Даже популяции соболей, когда активность Солнца на пике, растут.

Мировой океан изменяет свою температуру в зависимости от активизации светила. И это влияет на развитие морских растений и планктона.

Всплески солнечной активности вполне способны отрицательно повлиять на функционирование систем связи, линий электропередач. Нарушаются системы навигации авиационных и космических объектов, возникают вихревые токи в трансформаторах и проводниках.

История изучения солнечной активности

Последние 30 лет солнечной активности400 летняя история числа солнечных пятен

Наиболее изученный вид солнечной активности (СА) — изменение числа солнечных пятен. Первые сообщения о пятнах на Солнце относятся к наблюдениям 800 года до н. э. в Китае, первые рисунки относятся к 1128 году. В 1610 году астрономы начали использовать телескоп для наблюдения Солнца. Первоначальные исследования фокусировались на природе пятен и их поведении. Несмотря на то, что физическая природа пятен оставалась неясной вплоть до XX века, наблюдения продолжались. В XV и XVI вв. исследования были затруднены по причине их малого количества, что сейчас рассматривается как продолжительный период низкой СА, называемый минимумом Маундера. К XIX веку уже имелся достаточно продолжительный ряд наблюдений числа пятен, чтобы определить периодические циклы в активности Солнца. В 1845 году профессора Д. Генри и С. Александер из Принстонского университета наблюдали Солнце с помощью термометра и определили, что пятна излучают меньше радиации по сравнению с окружающими областями Солнца. Позже было определено излучение выше среднего в областях факел.

Связь изменений СА и климата Земли исследуется с 1900 года. Ч. Г. Аббот из Смитсонианской обсерватории (САО) был занят изучением активности Солнца. Позже, будучи уже главой САО, он учредил солнечную обсерваторию в Калама (Чили) для дополнения наблюдений, которые проводились в Маунт-Вильсон. Результатом этой работы стало определение 27 гармонических периодов СА в пределах цикла Хейла (период 22 года), включая циклы периодом 7, 13 и 39 месяцев. Также прослеживалась связь этих периодов с погодой посредством сопоставления солнечных трендов с температурой и уровнем осадков в городах. С появлением дисциплины дендрохронологии начались попытки установить связь скорости роста деревьев с текущей СА и последующей интерпретацией прежних периодов. Статистические исследования связи погоды и климата с СА были популярны на протяжении столетий, начиная по крайней мере с 1801 года, когда У. Гершель заметил связь между количеством солнечных пятен и ценами на пшеницу. Сейчас эта связь устанавливается с использованием обширных наборов данных, полученных наземными станциями и метеорологическими спутниками, с применением погодных моделей и наблюдений текущей активности Солнца.

Солнечные пятна

Основная статья: Солнечные пятнаГрафик, демонстрирующий показатели солнечной активности, включая число пятен и космогенное образование изотоповВосстановленная солнечная активность за последние 11 400 лет. Период высокой активности («Солнечный оптимум») примерно 8 000 лет назад также отмеченСолнечная активность, отражённая в радиоизотопном маркере углерода

Солнечные пятна — это области на поверхности Солнца, которые темнее окружающей их фотосферы, так как в них сильное магнитное поле подавляет конвекцию плазмы и снижает её температуру примерно на 2000 градусов. Связь общей светимости Солнца с количеством пятен является предметом споров, начиная с первых наблюдений за числом и площадью солнечных пятен в XVII веке. Сейчас известно, что взаимосвязь существует — пятна, как правило, менее чем на 0,3 % уменьшают светимость Солнца и вместе с тем увеличивают светимость менее чем на 0,05 % путём образования факул и яркой сетки, связанной с магнитным полем. Влияние на солнечную светимость магнитно-активных областей не было подтверждено вплоть до первых наблюдений с ИСЗ в 1980-х годах. Орбитальные обсерватории «Нимбус 7», запущенная 25 октября 1978 года, и «Солнечный максимум», запущенная 14 февраля 1980 года, определили, что благодаря ярким областям вокруг пятен, общий эффект заключается в увеличении яркости Солнца вместе с увеличением числа пятен. Согласно данным, полученным с солнечной обсерватории «SOHO», изменение СА соответствует также незначительному, ~0.001 %, изменению диаметра Солнца.

Количество солнечных пятен характеризуется с помощью числа Вольфа, которое известно также как цюрихское число. Этот индекс использует комбинированное число пятен и число групп пятен, а также учитывает различия в наблюдательных приборах. Используя статистику числа солнечных пятен, наблюдения за которыми осуществлялось в течение сотен лет, и наблюдаемые взаимосвязи в последние десятилетия, производятся оценки светимости Солнца за весь исторический период. Также, наземные инструменты калибруются на основании сравнения с наблюдениями на высотных и космических обсерваториях, что позволяет уточнить старые данные. Другие достоверные данные, такие как наличие и количество радиоизотопов, происхождение которых обусловлено космическим излучением (космогенных), используются для определения магнитной активности и — с большой вероятностью — для определения солнечной активности.

С использованием данных методик в 2003 году было установлено, что в течение последних пяти 11-летних циклов количество пятен на Солнце должно было быть максимальным за последние 1150 лет. Числа Вольфа за последние 11 400 лет определяются путём использования дендрохронологического датирования концентраций радиоуглерода. Согласно этим исследованиям, уровень СА в течение последних 70-ти лет является исключительным — последний период со схожим уровнем имел место 8 000 лет назад. Солнце имело схожий уровень активности магнитного поля всего ~10 % времени из последних 11 400 лет, причём практически все предыдущие периоды были более короткими по сравнению с современным.

Изменения солнечной активности с приблизительной датировкой:

Название периода Начало Завершение
Минимум Оорта (см. Средневековый тёплый период) 1040 1080
Средневековый Максимум (см. Средневековый тёплый период) 1100 1250
Минимум Вольфа 1280 1350
Минимум Шпёрера 1450 1550
Минимум Маундера 1645 1715
Минимум Дальтона (Д. Дальтон) 1790 1820
Современный Максимум 1950 2004
Современный Минимум 2004 (сейчас)

Исторический список Больших Минимумов СА: 690 AD, 360 BC, 770 BC, 1390 BC, 2860 BC, 3340 BC, 3500 BC, 3630 BC, 3940 BC, 4230 BC, 4330 BC, 5260 BC, 5460 BC, 5620 BC, 5710 BC, 5990 BC, 6220 BC, 6400 BC, 7040 BC, 7310 BC, 7520 BC, 8220 BC, 9170 BC.

Примечания

  1. Великие моменты в истории физики Солнца (en). Great Moments in the History of Solar Physics. Дата обращения 26 февраля 2010. Архивировано 21 мая 2013 года.
  2. Arctowski, Henryk (1940). “О Солнечных Факелах и изменениях Солнечной константы. (en)” (PDF). PNAS. 26 (6): 406—411. DOI:10.1073/pnas.26.6.406.
  3. H.C. Fritts, 1976, Кольца деревьев и климат (англ. Tree Rings and Climate), London: Academic Press.
  4. William Herschel (1738–1822). High Altitude Observatory. Дата обращения 27 февраля 2008. Архивировано 21 мая 2013 года.
  5. Camp, Charles D.; Tung, Ka-Kit (2006). “The Influence of the Solar Cycle and QBO on the Late Winter Stratospheric Polar Vortex” (PDF). EOS Trans. AGU. 87 (52): Fall Meet. Suppl., Abstract #A11B–0862. DOI:10.1029/2006EO300005. Дата обращения 2009-04-28.
  6. Eddy, J.A., Samuel P. Langley (1834—1906), Journal for the History of Astronomy, 21, 111—120, 1990.
  7. The effect of sunspots and faculae on the solar constant, P. V. Foukal, P. E. Mack, and J. E. Vernazza, The Astrophysical Journal, volume 215 (1977), page 952 DOI: 10.1086/155431
  8. Observations of solar irradiance variability, Willson, et al. (1981), Science, 211, p.700
  9. Светимость Солнца в течение полного солнечного цикла (en). Nature, 351, 42 — 44 (1991). Дата обращения 10 марта 2005. Архивировано 8 апреля 2012 года.
  10. Dziembowski, W.A.; P.R. Goode, and J. Schou (2001). “Does the sun shrink with increasing magnetic activity?”. Astrophysical Journal. 553: 897—904. DOI:10.1086/320976. Используется устаревший параметр |coauthors= (справка)
  11. Usoskin, Ilya G.; Solanki, Sami K.; Schüssler, Manfred; Mursula, Kalevi; Alanko, Katja (2003). “A Millennium Scale Sunspot Number Reconstruction: Evidence For an Unusually Active Sun Since the 1940’s” (PDF). Physical Review Letters. 91: 211101. DOI:10.1103/PhysRevLett.91.211101. Параметры |author= и |last1= дублируют друг друга (справка)
  12. Solanki, Sami K.; Usoskin, Ilya G.; Kromer, Bernd; Schüssler, Manfred; Beer, Jürg (2004). “Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11,000 years” (PDF). Nature. 431: 1084—1087. DOI:10.1038/nature02995. Дата обращения 2007-04-17. Параметры |author= и |last1= дублируют друг друга (справка), 11,000 Year Sunspot Number Reconstruction. Global Change Master Directory. Дата обращения 11 марта 2005. Архивировано 24 апреля 2012 года.
  13. Usoskin, Ilya G.; Solanki, Sami K.; Kovaltsov, Gennady A. (2007). “Grand minima and maxima of solar activity: new observational constraints” (PDF). Astron.Astrophys. 471: 301—309. DOI:10.1051/0004-6361:20077704. Дата обращения 2007-04-17. Параметры |author= и |last1= дублируют друг друга (справка)
  14. SIDC — Solar Influences Data Analysis Center

> Литература

  • Витинский Ю. И. Солнечная активность. — 2-е изд. — М.: Наука, 1983. — 193 с.

Известные циклы активности

Одиннадцатилетний

Этот период активности Солнца самый известный и более изученный. Также его называют законом Швабе-Вольфа, отдавая дань первооткрывателю этой периодичности светила. Название «одиннадцатилетний» несколько условно для данного цикла. Продолжительность его, например, в XVIII – XX веках колебалась от 7 до 17 лет, а в веке ХХ среднее значение составило 10,5 лет. В первые четыре года цикла происходит активное увеличение количества солнечных пятен. Также учащаются вспышки, число волокон и протуберанцев. В следующий период (около семи лет) количество пятен и активность уменьшаются. 11-летние циклы имеют различные высоты в максимумах. Их принято измерять в относительных числах Вольфа. Самым высоким индексом за всё время наблюдений отметился 19-й цикл. Его значение составило 201 единица, при минимуме около 40.

Двадцатидвухлетний

По сути, это двойной цикл Швабе. Он связывает пятна и магнитные поля звезды. Каждые 11 лет изменяется знак магнитного поля и положение магнитных полярностей групп пятен. Для возврата общего магнитного поля в начальное положение требуется два цикла Швабе, или 22 года.

Вековой

Этот цикл продолжается от 70 до 100 лет. Это модуляция одиннадцатилетних циклов. В середине прошлого века был максимум такого цикла, и следующий придётся на середину века нынешнего. Отмечена и двухвековая цикличность. В её минимумы (периоды около 200 лет) наблюдаются устойчивые ослабления солнечной активности. Они длятся десятки лет и носят название глобальных минимумов.

Также существуют циклы в 1000 и 2300 лет.

Влияние на нашу жизнь

Как считает М. Гухатхакурта, астрофизик НАСА, не только солнечные максимумы воздействуют на нашу жизнь, но и минимумы тоже. Чередование фаз изменения солнечной активности имеет свою специфику и вредные последствия. В солнечные циклы, на максимумах, обостряются риски сбоя в работе различного оборудования. Более интенсивное ультрафиолетовое облучение нагревает атмосферу, увеличивая её объём. Усиливается лобовое сопротивление, воздействующее на спутники и на МКС. Они мощнее притягиваются к Земле, и приходится корректировать их орбиты. Но от этого есть и некоторая польза: Из-за усиления притяжения космический мусор также устремляется к планете, сгорая в плотных атмосферных слоях.

В минимумы циклов интенсивность ультрафиолетового излучения падает, и от этого атмосфера Земли охлаждается и уменьшается в объёме. Солнечный ветер ослабевает, но усиливается поток космических лучей.

Опубликованы данные норвежских учёных, из которых вытекает, что люди, рождённые в год спокойного Солнца, живут дольше примерно на 5 лет. Были отслежены время рождения и смерти 8600 человек в двух населённых пунктах за период от 1676 до 1878 годов. Этот период выбрали потому, что на него существуют данные за 11-летний цикл активности Солнца. Но механизм влияния активности Солнца на продолжительность жизни пока не ясен.

С цикличностью солнечной активности тесно связаны глобальные события, происходящие на нашей планете. Самые известные эпидемии чумы, холеры, а также учащение наводнений и засух приходятся именно на максимумы активности Солнца. С этим явлением связываются и социальные потрясения. Революции и большие войны тоже укладываются в систему цикличности.

Сбои циклов

Но не всё вписывается в рамки цикличности. Солнце имеет свой характер, и иногда проявляется его своеобразие. Например, 23-й солнечный цикл должен был завершиться в 2007 – 2008 годах. Но не завершился, и чем вызван такой феномен, пока не понятно. Получается, что солнечные циклы – незакономерная закономерность нашего светила.

В 2012 году, вместо предполагаемого максимума активности, она упала ниже отметки 2011 года. Весь последний уровень солнечной активности в 4 раза ниже высших значений, известных за 260 лет наблюдений.

С середины 2006 до середины 2009 годов Солнце было в глубоком минимуме. Этот период характерен несколькими рекордами спада активности. Отмечались наименьшие показатели скорости солнечного ветра. Наблюдалось максимальное число дней без пятен. Активность вспышек упала к нулю. Из этого вытекают возможные варианты дальнейшего поведения Солнца. Если считать, что в каждом цикле звезда высвобождает определенное количество энергии, то после нескольких лет пассивности, она должна эту энергию выбросить. То есть, новый цикл должен быть очень быстрым и достичь высочайших значений.

Предельно высокие максимумы за все годы наблюдений не фиксировались. А вот исключительные минимумы отмечались. Из этого следует, что провал активности – намёк на сбой солнечных циклов.

Солнечная цикличность

График среднегодовых чисел Вольфа за последние три века. Виден 11-летний цикл и менее выраженный вековой.

Солнечная цикличность — периодические изменения в солнечной активности. Наиболее известен и лучше всего изучен солнечный цикл с длительностью около 11 лет («цикл Швабе»). Иногда, в узком смысле, под солнечным циклом понимают именно 11-летний цикл солнечной активности.

Выделяют также удвоенный цикл Швабе длиной около 22 лет (так называемый «цикл Хейла»), имея в виду, что состояние глобального магнитного поля Солнца возвращается к исходному через два полных 11-летних цикла.

В поведении солнечной активности имеются также гораздо менее выраженные циклы большей длительности: например, «цикл Гляйсберга» с периодом около одного века, а также сверхдлинные циклы длиной в несколько тысяч лет.

11-летний цикл

Основная статья: Одиннадцатилетний цикл солнечной активности

11-летний цикл («цикл Швабе» или «цикл Швабе-Вольфа») является наиболее заметно выраженным циклом солнечной активности. Соответственно, утверждение о наличии 11-летней цикличности в солнечной активности иногда называют «законом Швабе-Вольфа».

На примерно десятилетнюю периодичность в увеличении и уменьшении количества солнечных пятен на Солнце впервые обратил внимание в первой половине XIX века немецкий астроном Г. Швабе, а затем — Р. Вольф. «Одиннадцатилетним» цикл называют условно: его длина за XVIII—XX века менялась от 7 до 17 лет, а в XX веке в среднем была ближе к 10,5 годам.

Этот цикл характеризуется довольно быстрым (в среднем примерно за 4 года) увеличением числа солнечных пятен, а также другими проявлениями солнечной активности, и последующим, более медленным (около 7 лет), его уменьшением. В ходе цикла наблюдаются и другие периодические изменения, например — постепенное сдвижение зоны образования солнечных пятен к экватору («закон Шпёрера»).

Для объяснения подобной периодичности в возникновении пятен обычно используется теория солнечного динамо.

Хотя для определения уровня солнечной активности можно использовать различные индексы, чаще всего для этого применяют усреднённое за год число Вольфа. Определённые с помощью этого индекса 11-летние циклы условно нумеруются начиная с 1755 года. 24-й цикл солнечной активности начался в январе 2008 года (по другим оценкам — в декабре 2008 или январе 2009 года).

Годы минимумов и максимумов последних 11-летних циклов
Номер Минимум Максимум Номер Минимум Максимум
1 1755 1761 13 1889 1893
2 1766 1769 14 1901 1905
3 1775 1778 15 1913 1917
4 1784 1787 16 1923 1928
5 1798 1804 17 1933 1937
6 1810 1816 18 1944 1947
7 1823 1830 19 1954 1957
8 1833 1837 20 1964 1968
9 1843 1848 21 1976 1979
10 1856 1860 22 1986 1989
11 1867 1870 23 1996 2000
12 1878 1883 24 2008 2014

Другие наблюдаемые циклы

22-летний цикл

22-летний цикл («цикл Хейла») является, в сущности, удвоенным циклом Швабе. Он был открыт после того, как в начале XX века была понята связь между солнечными пятнами и магнитными полями Солнца. При этом оказалось, что за один цикл пятенной активности общее магнитное поле Солнца меняет знак: если в минимуме одного цикла Швабе фоновые магнитные поля преимущественно положительны вблизи одного из полюсов Солнца и отрицательны — вблизи другого, то примерно через 11 лет картина меняется на противоположную. Каждые 11 лет меняется и характерное расположение магнитных полярностей в группах солнечных пятен. Таким образом, для того, чтобы общее магнитное поле Солнца вернулось к своему исходному состоянию, должно пройти два цикла Швабе, то есть около 22 лет.

Вековые циклы

Вековые циклы активности Солнца по радиоуглеродым данным.

Вековой цикл солнечной активности («цикл Гляйсберга») имеет длину около 70—100 лет и проявляется в модуляциях 11-летних цикла. Последний максимум векового цикла наблюдался в середине XX века (вблизи 19-го 11-летнего цикла), последующий должен прийтись примерно на середину XXI века.

Наблюдается также двухвековой цикл («цикл Зюсса» или «цикл де Врие»), в качестве минимумов которого можно рассматривать происходящие примерно раз в 200 лет устойчивые снижения солнечной активности, длящиеся многие десятки лет (так называемые глобальные минимумы солнечной активности) — минимум Маундера (1645—1715), минимум Шпёрера (1450—1540), минимум Вольфа (1280—1340) и другие.

Тысячелетние циклы

Солнечный цикл Холлстатта с периодом 2 300 лет по данным радиоуглеродного анализа.

Радиоуглеродный анализ указывает также на существование циклов с периодом около 2300 лет («цикла Холлстатта») и более.

> См. также

  • Солнечная активность
  • Список циклов солнечной активности

> Примечания

Ученые составили прогноз солнечной активности до 3200 года, из которого следует, что Европу и Россию ждет похолодание

Какой климат ждет Россию и Европу через 15–20 лет? Придут ли погодные аномалии в ближайшие десятилетия? Будет ли в одних районах более суровая зима, а в других — более жаркое лето? Все зависит от того, насколько сильно на динамику климата повлияет возможное наступление минимума солнечной магнитной активности. О том, как будет вести себя Солнце в будущих циклах, говорится в публикации, посвященной прогнозу и объяснению минимумов солнечной активности, которая была опубликована в журнале Scientific Reports.

Сколько пятен на Солнце?

Ученые исследовали эволюцию магнитного поля Солнца и изменение количества пятен на его поверхности. Амплитуда и пространственная конфигурация магнитного поля нашего светила меняются со временем — каждые 11 лет количество пятен на Солнце резко уменьшается. Каждые 90 лет это уменьшение (когда оно совпадет с 11-летним циклом) сокращает количество пятен примерно наполовину. А 300–400-летние минимумы снижают их количество чуть ли не до нуля.

Самый известный минимум — это минимум Маундера, который длился примерно с 1645 по 1715 год. За этот период наблюдалось около 50 солнечных пятен вместо обычных 40–50 тыс.

Анализ солнечного излучения показал, что его максимумы и минимумы почти совпадают с максимумами и минимумами количества пятен. Изучая изменения числа пятен на Солнце и анализируя содержание изотопов углерода-14, бериллия-10 и других в ледниках и деревьях на Земле, исследователи пришли к выводу, что солнечная магнитная активность имеет циклическую структуру.

Группа ученых, состоящая из Валентины Жарковой (Нортумбрийский университет, Великобритания, Институт космических исследований, Украина), Елены Поповой (НИИЯФ МГУ), Саймона Джона Шеферда (Брэдфордский университет, Англия) и Сергея Жаркова (Халлский университет, Англия), проанализировала три солнечных цикла активности с 1976 по 2009 год (циклы 21–23), применив так называемый анализ главных компонент, который позволяет выявить в наблюдательных данных волны магнитного поля Солнца с самым большим вкладом. В результате разработанной ими новой методики анализа было обнаружено, что магнитные волны на Солнце генерируются парами и самая главная пара отвечает за изменения дипольного поля (оно наблюдается при изменении солнечной активности). Кроме того, исследователям удалось вывести аналитические формулы, описывающие эволюцию обеих волн.

Прогноз на тысячу лет

Используя эмпирически найденные две волны магнитного поля, Елена Попова выдвинула гипотезу, что минимумы солнечной магнитной активности могут быть вызваны процессом биений двух волн магнитного поля. Каждая из волн генерируется на разной глубине в недрах Солнца и эти волны имеют близкие частоты. В результате всплытия магнитного поля на поверхность эти волны взаимодействуют, в результате чего возникают биения амплитуды результирующего магнитного поля. Это и приводит к периодическому значительному спаду амплитуды магнитного поля на протяжении нескольких десятилетий. Сравнение результатов этой модели проводилось как с массивом наблюдаемых данных для магнитных полей за циклы 21–23, так и с наблюдаемыми данными солнечной активности в 1000-летнем масштабе. На этих масштабах модельные расчеты Поповой оказались очень близки к характеристикам солнечной магнитной активности.

Выделив характерный период биений, составляющий несколько веков,

ученые восстановили солнечную активность с древности (начиная с 1200 года н.э.) и спрогнозировали ее до 3200 года. На соответствующем графике видно, что активность Солнца резко снижается примерно каждые 350 лет. И ближайшее снижение солнечной активности начинается в наши дни.

График солнечной активности с 1200 до 3200 годов. Черным овалом выделены циклы 21 — 23, на основе данных которых и был составлен прогноз.

Scientific Reports

Столетний минимум на подходе

«Как показали исследования, за последние 400 тыс. лет было пять глобальных потеплений и четыре ледниковых периода. Что их вызвало? Насколько сильно солнечная активность может повлиять на изменение погоды и климата? Этот вопрос до сих пор окончательно не решен и представляет крайне актуальную и интересную задачу для различных исследователей всего мира. Существует ряд теорий, которые предполагают самую разную степень влияния солнечной активности на погоду и климат. Кроме солнечной активности климатологи приводят и другие факторы, которые могут влиять на динамику климатической системы Земли. Такая система представляет собой очень сложную нелинейную систему, значительную помощь в исследовании которой может принести дальнейшее использование численного моделирования и анализ палеоданных, — говорит Елена Попова.

— Если в ближайшем времени наступит минимум солнечной активности, то это даст возможность увидеть, что произойдет с динамикой климата и проверить существующие теории о влиянии солнечной активности.

Собственно, даже если исходить из простых знаний о цикличности Солнца, то можно отметить, что уже подходит время для столетнего минимума, — предыдущий был в начале XX века.

Конечно же, придется учитывать влияние и других факторов на процессы в атмосфере, однако сложные задачи всегда интриговали ученых».

Впрочем, пока ученые говорят о возможности наступления нового ледникового периода, правительства многих стран мира по-прежнему озабочены борьбой с глобальным потеплением: 29 ноября в Париже началась Конференция ООН по вопросам климатических изменений. Ожидается, что на конференции будет подписано соглашение по снижению нагрузки на климатическую систему планеты, которое после 2020 года заменит действующий в данный момент Киотский протокол.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *