Физики нашли объяснение 193-летнему солнечному циклу — его определяют Сатурн и Юпитер

Немецко-российская группа ученых проверила при помощи моделирования противоречивую гипотезу о природе циклов солнечной активности. Результатом симуляции стали сразу несколько любопытных ответов. Во-первых, оказалось, что все краткосрочные циклы длительностью до пары сотен лет объясняются внешними причинами, а не внутренней природой звезды. Во-вторых, появился веский повод сомневаться даже в теоретической возможности долгосрочных предсказаний изменений активности магнитного поля Солнца.

На протяжении многих лет активного изучения нашей родной звезды астрофизики придерживались мнения, что на ее активность решающее влияние оказывают внутренние процессы. Вкупе с множеством косвенных подтверждений эта точка зрения укоренилась в качестве своеобразного стандарта. Однако большое количество данных никак не хочет вписываться в такое объяснение. Поэтому, согласно научному методу, международная команда физиков пошла от обратного: ученые проверили, насколько сильным может быть влияние других планет на светило.

Солнце не находится статично в центре орбит всех планет Солнечной системы, оно выполняет причудливый танец вокруг общего центра масс. Поскольку звезда не монолит, разные ее слои имеют разную плотность, и их движение в недрах гравитационного колодца различается. Учитывая размеры и массу светила, эти различия в движении весьма незначительны на первый взгляд. Но для той чувствительной и нестабильной зоны недр Солнца, где рождаются его могучие магнитные поля — тахоклина, — и такого влияния может быть достаточно.

Именно эту мысль решили проверить 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). Они внесли в классическую модель солнечного динамо влияние гравитации Юпитера, Сатурна, Венеры и Земли. Результаты вычислений ученые опубликовали в журнале Solar Physics, полный текст статьи доступен на портале Springer.

Идея заключается в том, что часть общего момента импульса Солнца из-за такого неидеального движения вокруг собственной оси может трансформироваться в дополнительное вращение некоторых его внутренних регионов. Возникающие возмущения на границах слоев в недрах звезды должны сильно влиять на процессы формирования магнитных полей. А тахоклин — как раз переходная область между зоной лучистого переноса и внешней конвективной зоной. Оба этих региона радикально различаются по протекающим в них физическим процессам.

Несколько лет назад Стефани с коллегами доказал, что существует значительная корреляция между самым известным циклом солнечной активности — «циклом Швабе» (в среднем 10,5 года) — и положением Венеры, Земли, а также Юпитера. Раз в 11,07 года три планеты выстраиваются в почти ровную линию. Данные той симуляции были интересными, но неполными. В новой работе ученые добавили Сатурн и уточнили ряд параметров.

В результате получилось, что две наиболее хорошо изученные периодичности объясняются только внешним влиянием других планет. Речь идет о «цикле Хейла» (два раза по 11 лет) и «цикле Зюсса — де Врие» (около 180-230 лет). Первый, как давно известно, представляет собой двухкратное повторение «цикла Швабе». А второй — период биения между ним и еще одной периодичностью, длительностью 19,86 года, которая идеально совпадает с соединениями Юпитера и Сатурна. Косвенные или прямые подтверждения результатам моделирования Стефани, Вейер и Степанов нашли во многих научных работах, посвященных цикличности солнечной активности.

Иллюзия предсказуемости

Видя большой потенциал своей модифицированной модели, физики проверили ее на более крупных отрезках времени. Когда симуляция охватывала 30 тысяч лет, ученые увидели появление продолжительных минимумов. На первый взгляд, они были похожи на предполагаемые тысячелетние циклы солнечной активности. На основании довольно веских доводов считается, что они ответственны, например, за так называемый Минимум Маудера в 1645-1715 годах. Этот временной отрезок еще известен как малый ледниковый период.

Проблема заключалась в том, что подобные события в моделировании появлялись абсолютно случайным образом. Математического объяснения их периодичности не существует. Иными словами, модель Стефани, Вейера и Степанова прекрасно сработала с короткими циклами, но показала, что более длительные периодичности принципиально непредсказуемы. Если эти данные подтвердятся другими моделями и практическими наблюдениями, долгосрочные предсказания солнечной активности становятся невозможными.

«Биение сердца» звезды

Астрономы заподозрили наличие циклов активности Солнца еще в середине XIX века на основе систематических наблюдений за звездой. Ученые записывали количество и параметры видимых пятен и обратили внимание на некоторую периодичность в их появлении. Лучше всего изученный цикл назвали в честь открывшего его астронома-любителя Генриха Швабе. В 1847 году профессиональный ученый Рудольф Вольф продолжил изучение этой периодичности и определил некоторые ее важные особенности.

Сейчас мы знаем, что на протяжении примерно 22 лет магнитное поле Солнца дважды меняет ориентацию — сначала как бы скручиваясь к экватору, а затем снова вытягиваясь к полюсам. В первый «цикл Швабе» это происходит с севера на юг, во второй — наоборот. И хотя точная природа приводящих к такой картине внутренних процессов звезды до конца не понятна, она определенно зависит от того, как возникает магнитное поле.

Помимо визуальных наблюдений с поверхности и данных с космических зондов, цикличность солнечной активности изучают прямо на Земле. Она прослеживается на многие тысячелетия в прошлое благодаря изучению древнего льда полярных шапок и изотопного состава пород в земной коре. Вероятно, модель Стефани, Вейера и Степанова поможет по-новому взглянуть и на уже имеющуюся на руках ученых информацию.