Новые расчеты подтверждают и расширяют планетарную гипотезу активности Солнца
Ученые давно ищут удовлетворительное объяснение многих циклических, перекрывающихся колебаний активности Солнца
Ученые давно ищут удовлетворительное объяснение многих циклических, перекрывающихся колебаний активности Солнца. В дополнение к самому известному, примерно 11-летнему «циклу Швабе», Солнце также демонстрирует более длительные колебания, от сотен до тысяч лет.
Оно следует, например, за «циклом Глейсберга» (около 85 лет), «циклом Зюсса-де Фриза» (около 200 лет) и квазициклом «событий Бонда» (около 1500 лет), каждый из которых назван в честь своего первооткрыватели. Бесспорно, что магнитное поле Солнца контролирует эти колебания активности.
Объяснения и модели в экспертных кругах частично расходятся относительно того, почему магнитное поле вообще изменяется. Управляется ли Солнце извне или причина многих циклов кроется в особенностях самого солнечного динамо? Исследователь HZDR Франк Стефани и его коллеги годами искали ответы — в основном на очень спорный вопрос о том, играют ли планеты роль в солнечной активности.
Движение Солнца может производить 193-летний цикл
Недавно исследователи внимательно изучили орбитальное движение Солнца. Солнце не остается неподвижным в центре солнечной системы: оно исполняет своего рода танец в общем гравитационном поле с массивными планетами Юпитером и Сатурном — со скоростью 19,86 года. Ученые знают, что вращение по своей орбите вызывает небольшие движения в жидком ядре Земли. Нечто подобное также происходит внутри Солнца, но до сих пор не учитывалось в отношении его магнитного поля.
Исследователи пришли к идее, что часть углового орбитального момента Солнца может быть передана его вращению и, таким образом, повлиять на внутренний динамо-процесс, который создает солнечное магнитное поле.
Такой связи было бы достаточно, чтобы изменить чрезвычайно чувствительную магнитную накапливающую способность тахоклина, переходную область между различными типами переноса энергии внутри Солнца. «Свернутые в спираль магнитные поля могли бы легче привязаться к поверхности Солнца», — говорит Франк Стефани.
Исследователи интегрировали одно такое ритмическое возмущение тахоклина в свои предыдущие модельные расчеты типичного солнечного динамо, и, таким образом, смогли воспроизвести несколько циклических явлений, которые были известны из наблюдений.
Что было наиболее примечательным, так это то, что в дополнение к 11,07-летнему циклу Швабе, который они уже смоделировали в предыдущей работе, сила магнитного поля теперь также изменилась со скоростью 193 года — это может быть цикл Зюсс-де-Фриза, который, согласно наблюдениям, составляет от 180 до 230 лет.
Математически 193 года возникают как так называемый период биений между 19,86-летним циклом и двойным циклом Швабе, также называемым циклом Хейла. Таким образом, цикл Зюсс-де Фриза будет результатом комбинации двух внешних «часов»: приливных сил планет и собственного движения Солнца в гравитационном поле Солнечной системы.
Планеты как метроном
Для 11,07-летнего цикла исследователи ранее нашли убедительные статистические доказательства того, что он должен следовать по внешним часам. Они связали эти «часы» с приливными силами планет Венеры, Земли и Юпитера.
Их эффект наиболее велик, когда планеты выровнены: такое происходит каждые 11,07 лет. Что касается 193-летнего цикла, здесь решающее значение имело чувствительное физическое воздействие, чтобы вызвать достаточное влияние слабых приливных сил планет на солнечное динамо.
После первоначального скептицизма по отношению к планетарной гипотезе Франк Стефани теперь предполагает, что эти связи не случайны. «Если бы Солнце здесь сыграло с нами злую шутку, то это было бы с невероятным совпадением. Или, фактически, у нас есть первые намёки на полную картину короткого и длинного циклов солнечной активности». Фактически, текущие результаты также ретроактивно подтверждают, что 11-летний цикл должен быть синхронизированным по времени. В противном случае возникновение периода биений было бы математически невозможно.
Погружение в хаос
Помимо довольно коротких циклов активности, солнце также демонстрирует долгосрочные тенденции в тысячелетнем диапазоне. Для них характерны продолжительные спады активности, известные как «минимумы», такие как последний «минимум Маундера», который произошел между 1645 и 1715 годами во время «малого ледникового периода».
Статистически проанализировав наблюдаемые минимумы, исследователи могли бы показать, что это не циклические процессы, а что их возникновение с интервалом примерно в одну-две тысячи лет следует математическому случайному процессу.
Чтобы проверить это, исследователи расширили свои модели солнечного динамо до более длительного периода в 30 000 лет. На самом деле, в дополнение к более коротким циклам, наблюдались нерегулярные, внезапные падения магнитной активности каждые 1000-2000 лет.
«В наших симуляциях мы видим, как формируется асимметрия север-юг, которая в конечном итоге становится слишком сильной и выходит из синхронизации, пока все не рухнет. Система погружается в хаос, а затем требуется некоторое время, чтобы снова синхронизироваться», — говорит Франк Стефани. Но этот результат также означает, что очень долгосрочные прогнозы солнечной активности — например, для определения влияния на изменение климата — практически невозможны».
Исследование было опубликовано в журнале Solar Physics.