Пульс Солнца падает: впадает ли оно в спячку?

С жизнью Солнца связано множество страхов и ожиданий — люди боятся магнитных бурь, климатических катаклизмов, которые могут вызвать изменения солнечного цикла. Астрофизик Сергей Богачев из Физического института имени Лебедева РАН рассказывает, как был обнаружен солнечный цикл, как он влияет на Землю, и чего ждать от Солнца в ближайшие годы и десятилетия.

Черновики фармацевта

В 1843 году Генрих Швабе, фармацевт, а по совместительству астроном-любитель, опубликовал в журнале немецкого астрономического общества Astronomische Nachrichten свой труд «Наблюдения Солнца в 1843 году», где обратил внимание не некоторые странные закономерности в численности солнечных пятен. Надо сказать, что Швабе не был солнечным астрономом и вообще не занимался физикой Солнца, а был одержим идеей существования в солнечной системе таинственной планеты Вулкан, находящейся ближе всех к Солнцу.

Найти эту планету он пытался путем многолетних наблюдений Солнца в надежде увидеть прохождение неизвестного темного силуэта по солнечному диску. В поисках ему очень мешали солнечные пятна, положение и число которых он аккуратно выписывал, чтобы не спутать с ними объект своих поисков. По иронии судьбы именно эти черновые записи, которые сам Швабе рассматривал как простой технический материал, навсегда вписали его имя в историю науки, так как накопив данные за 15 лет наблюдений, Швабе обнаружил солнечный цикл, период которого оценил в 10 лет.

Это открытие было тем удивительнее, что к тому времени европейцы наблюдали пятна на Солнце уже 230 лет (с 1614 года, когда они были независимо друг от друга открыты Галилеем и Кристофом Шейнером). Более того, к тому времени уже почти 100 лет, с 1749 года, пятна изучались профессиональными астрономами в обсерватории города Цюрих (Швейцария). Тем не менее, потребовалось два века, чтобы люди обнаружили в них то, что сейчас считается наиболее фундаментальным процессом на Солнце и главной его загадкой.

Циклы высокие и низкие

После открытия Швабе в обсерватории Цюриха были пересчитаны все архивы данных с 1749 года и подтверждено, что солнечный цикл не возник в середине XIX века, а существовал все время, но не был обнаружен до этого. Первому циклу, который обнаружили в данных обсерватории Цюриха (он начался в марте 1755 года), присвоили номер 1. По этой системе цикл, который обнаружил Швабе, имеет номер 8, а цикл, который развивается на Солнце сейчас (да, этот ряд все еще продолжается), — номер 24. Поскольку пятна наблюдались с начала XIX века, то есть за 150 лет до цикла 1, этот ряд можно продолжить и в прошлое. В такой системе самый первый цикл, который обнаружили европейцы, будет иметь номер минус 12.

Количество пятен на Солнце измеряется в так называемых числах Вольфа (по имени директора обсерватории Берн Рудольфа Вольфа, который ввел их в середине XIX века). Чем выше число Вольфа — тем выше уровень солнечной активности. Самую большую высоту за почти 260-летнюю историю наблюдений имел максимум 1954 года, а самый низкий солнечный максимум наблюдался в 1804 году. Самым коротким был цикл 2, продолжавшийся ровно 9 лет, а самый длинный цикл, с номером 4, продолжался 13 лет и 7 месяцев.

Современные данные говорят, что цикл активности — это гораздо больше, чем просто изменение числа пятен на Солнце. С таким же 11-летним периодом меняются потоки жесткого излучения, исходящего от Солнца, число солнечных вспышек, скорость солнечного ветра, количество магнитных бурь на Земле и даже плотность и высота земной атмосферы. Это некий пульс нашей звезды, очень медленный по нашим меркам и очень быстрый для Солнца, возраст которого составляет миллиарды лет.

Чем грозит солнечная спячка

Столь длинный ряд наблюдений Солнца позволяет оценить и современную эпоху. Где мы сейчас находимся? Является ли ситуация на Солнце, если сравнить ее с 260-летним рядом наблюдений, уникальной или, наоборот, мы живем в скучную обыкновенную эпоху? В целом, самого беглого взгляда на график чисел Вольфа достаточно, чтобы понять, что ни о какой повышенной активности в последние годы говорить не приходится.

Количество пятен на Солнце в настоящее время сравнимо с самыми низкими значениями из когда-либо наблюдавшихся. Если сравнивать текущий солнечный цикл со всеми предыдущими, лишь два из 23-х известных циклов имели более низкие максимумы: цикл 5 и цикл 6, продолжавшиеся приблизительно с 1800 по 1820 годы. Данный период хорошо известен в физике Солнца и носит название минимума Дальтона. Подобные собственные имена дают лишь самым глубоким провалам на графике солнечной активности. Если сравнивать между собой не максимумы, а минимумы отдельных солнечных циклов, то самыми низким в истории оказываются минимумы циклов с 4 по 6, а на четвертом месте располагается минимум 2008 года, предшествовавший нынешнем циклу. Этот же период оказался абсолютным рекордсменом по числу дней, когда пятна на Солнце не наблюдались вообще — 821 день без пятен.

Почему и как часто Солнце впадает в подобную спячку, как долго она длится и чем это грозит? Дать ответ на этот вопрос довольно сложно, хотя бы по той причине, что когда речь идет о таких глобальных процессах, даже 300 лет наблюдений кажутся очень малым промежутком, чтобы сделать достоверные выводы. Тем не менее, человечеству известно как минимум о двух подобных периодах, пришедшихся на исторически достоверный период времени. Это уже упоминавшийся минимум Дальтона, пришедшийся на 4, 5 и 6 солнечные циклы, и период, который нельзя увидеть на каноническом ряде циклов, но который в настоящее время общепризнан – это минимум Маундера, охватывающий интервал времени с 1645 по 1715 годы.

Минимум Маундера широко известен тем, что примерно совпадает по времени с малым ледниковым периодом в современной истории, когда, как считается, средняя температура на нашей планете упала на 5-10 градусов. Достоверных сведений о падении температуры во время минимума Дальтона нет, что, впрочем, можно объяснить и тем, что в те времена подобные измерения не проводились, и падение средней температуры на 2-4 градуса могло остаться для человечества незамеченным (вряд ли оно могло быть большим, хотя бы по той причине, что минимум Дальтона был почти в два раза короче минимума Маундера). Совпадение минимума Маундера с малым ледниковым периодом одна из причин, по которой ученые с гораздо большей настороженностью относятся к аномально низкой активности Солнца, чем к высокой. Этим они, в частности, отличаются от подавляющего большинства людей, которых пугают скорее крупные вспышки, чем спокойное Солнце.

Однозначного ответа на вопрос о причинах провалов солнечной активности нет. Можно высказать две правдоподобных точки зрения. Первая состоит в том, что как и любой сложный процесс, механизм солнечного цикла подвержен краткосрочным сбоям, которые носят случайный процесс и непредсказуемы. Сбои эти могут быть краткосрочными, всего на 1 цикл, что не замечается Солнцем, либо длительными, приводящими к затяжному и трудному выходу нашей звезды на обычный ритм, как это было во время минимумам Маундера.

Второе объяснение состоит в том, что процесс таких сбоев не случаен и является следствием наличия у Солнца кроме 11-летнего цикла еще и крупномасштабных вековых, тысячелетних, а может быть и гораздо более продолжительных периодов. В этом случае если в одной точке сходятся две или даже три точки минимума: например, на обычный минимум накладывается вековой, возникает очень глубокий минимум, который может даже полностью подавить активность Солнца на один или несколько циклов. Надо сказать, что, взглянув на график солнечных циклов, даже человек далекий от науки увидит, что циклы как будто и правда модулируются сверху крупномасштабной синусоидой — вековым циклом. Ни одна из этих причин, впрочем, не отрицает другую, и, не исключено, что они работают обе.

Пойдет ли солнце на взлет

Что представляет собой текущая, мгновенная ситуация на Солнце, и чего от него ждать? Прежде всего, Солнце, судя по всему, прошло максимум активности и движется ко дну своего цикла. Об этом, в частности, говорит уже упоминавшийся факт, что наивысшее значение числа Вольфа было достигнуто почти два года назад, в ноябре 2011 года, и с тех пор упало почти на треть, с 96 до 66. Крайне трудно поверить, что наша звезда сможет переломить этот тренд и пойдет на второй максимум (такие случаи были в истории наблюдений).

Скорее всего, нас ждет монотонное падение до 2015-2016 годов, после чего наша звезда застынет в состоянии спячки на 3-4 года и очнется от него в 2019-2020 годах. Такой спадающий тренд не исключает возможности крупных вспышек (не стоит забывать, что самые мощные вспышки в новейшей истории наблюдений, октября и ноября 2003 года, произошли на стадии спада), но в целом каждый следующий год будет спокойнее предыдущего.

Наиболее важным вопросом сейчас является то, до какого уровня упадет активность, где она остановится? Просто все известные факты говорят о том, что высота будущего максимума прямо связана с уровнем активности в минимуме. В частности, как уже говорилось выше, самые глубокие минимумы наблюдались именно перед циклами, относящимися к минимуму Дальтона. Если Солнце остановится на уровне чисел Вольфа 15-20 и не будет падать дальше, значит, активность вошла в норму, и нас ждет обыкновенный солнечный цикл. Если же оно уйдет под средний уровень 10, то это будет с большой вероятностью значить, что нас ждет еще один подавленный цикл, что, по-видимому, означает начало крупномасштабного провала активности, способного отразиться на климате Земли.