Немецко-российские ученые проверили спорную гипотезу о причинах солнечной активности, используя методы моделирования. Полученные результаты симуляции предоставили ряд интересных объяснений. В частности, выяснилось, что краткосрочные циклы, длящиеся до нескольких сотен лет, обусловлены внешними факторами, а не внутренними процессами, происходящими в звезде. Кроме того, результаты ставят под сомнение саму возможность долгосрочного прогнозирования изменений в магнитном поле Солнца.
В течение многих лет астрофизики, занимаясь изучением нашей звезды, считали, что ее активность определяется внутренними процессами. Эта точка зрения, подкрепленная большим количеством косвенных данных, стала общепринятой. Однако значительный объем информации не соответствует такому объяснению. Поэтому, следуя научному методу, международная группа физиков решила проверить, какое влияние другие планеты могут оказывать на светило.
Солнце не зафиксировано в центре орбит планет Солнечной системы, оно совершает сложный круговорот вокруг общего центра масс. Звезда не является однородным объектом, поэтому разные слои, обладающие различной плотностью, двигаются в гравитационном поле по-разному. Ввиду огромных размеров и массы светила, эти различия кажутся незначительными. Однако для тахоклина – чувствительной и нестабильной зоны недр Солнца, где формируются мощные магнитные поля, даже такого влияния может быть достаточно.
Именно эту мысль физики Фрэнк Стефани ( Frank Stefani) и Том Вейер (Tom Weier) из Центра имени Гельмгольца в Дрездене, а также Родион Степанов ( Rodion Stepanov) из Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Влияние гравитации Юпитера, Сатурна, Венеры и Земли было учтено ими при модификации классической модели солнечного динамо. Результаты вычислений ученые опубликовали в журнале Solar Physics, полный текст статьи доступен на портале Springer.
Согласно выдвинутой гипотезе, неидеальное вращение Солнца вокруг своей оси может приводить к преобразованию части его полного момента импульса в дополнительное вращение отдельных внутренних областей. Возникающие в результате этого возмущения на границах слоев внутри звезды, вероятно, оказывают значительное влияние на формирование магнитных полей. Тахоклин представляет собой границу между зоной лучистого переноса и внешней конвективной зоной, причем эти области характеризуются принципиально разными физическими процессами.
Несколько лет назад Стефани и ее коллеги продемонстрировали наличие заметной взаимосвязи между наиболее известным циклом солнечной активности, известным как «цикл Швабе» (обычно длящегося 10,5 лет), и расположением Венеры, Земли и Юпитера. Примерно раз в 11,07 года три планеты выстраиваются в линию. Результаты той симуляции были любопытными, однако не содержали всей необходимой информации. В рамках нового исследования ученые включили в модель Сатурн и скорректировали некоторые параметры.
Анализ показал, что две наиболее изученные периодичности обусловлены исключительно внешним воздействием других планет. Это «цикл Хейла» (два раза по 11 лет) и «цикл Зюсса — де Врие» (около 180-230 лет). Первый представляет собой двухкратное повторение «цикла Швабе», а второй — период биения между ним и еще одной периодичностью, длительностью 19,86 года, которая точно соответствует соединениям Юпитера и Сатурна. Многие научные работы, посвященные цикличности солнечной активности, содержат косвенные или прямые подтверждения результатов моделирования Стефани, Вейера и Степанова.
Иллюзия предсказуемости
Чтобы оценить возможности усовершенствованной модели, физики провели ее тестирование на данных, охватывающих более длительные периоды времени. При симуляции, простиравшейся на 30 тысяч лет, исследователи зафиксировали возникновение продолжительных периодов пониженной солнечной активности. Эти явления, на первый взгляд, напоминали ожидаемые тысячелетние циклы солнечной активности. По имеющимся убедительным данным, они могли быть причиной, например, Минимума Маудера, охватившего 1645-1715 годы, который также известен как малый ледниковый период.
Сложность заключалась в том, что подобные явления возникали в моделировании непредсказуемо. Периодичность этих явлений не имеет математического объяснения. Модель Стефани, Вейера и Степанова успешно работала с короткими циклами, однако продемонстрировала принципиальную непредсказуемость более длительных периодичностей. Подтверждение этих данных другими моделями и практическими наблюдениями сделает долгосрочные прогнозы солнечной активности невозможными.
«Биение сердца» звезды
Еще в середине XIX века астрономы начали подозревать наличие циклов в активности Солнца, основываясь на систематических наблюдениях за этой звездой. Наблюдая за количеством и параметрами видимых солнечных пятен, ученые заметили определенную закономерность в их появлении. Наиболее изученный цикл получил название в честь Генриха Швабе, астронома-любителя, который его открыл. В 1847 году профессиональный ученый Рудольф Вольф продолжил изучение этой периодичности и выявил некоторые ее ключевые характеристики.
На сегодняшний день известно, что магнитное поле Солнца примерно каждые 22 года меняет свою ориентацию: сначала оно скручивается в направлении экватора, а затем снова вытягивается к полюсам. В первом «цикле Швабе» этот процесс происходит с севера на юг, во втором – в обратном направлении. Несмотря на то, что точный механизм внутренних процессов, вызывающих подобное явление, до сих пор не изучен до конца, он, несомненно, связан с тем, как формируется магнитное поле.
Изучение цикличности солнечной активности не ограничивается визуальными наблюдениями с поверхности Земли и данными, полученными с космических зондов, оно также ведется непосредственно на нашей планете. Благодаря анализу древнего льда полярных шапок и изотопному составу горных пород, эта цикличность отслеживается на протяжении многих тысячелетий. Модель Стефани, Вейера и Степанова, возможно, позволит по-новому интерпретировать имеющиеся у ученых данные.