2. Солнечный цикл

Это понятие относится к почти регулярным сериям наблюдаемых на Солнце изменений, которые сопровождают процесс наматывания и последующего освобождения магнитного поля. Эта интригующая картина поведения поля на Солнце впервые привлекла внимание астрономов при наблюдениях солнечных пятен. Наблюдения солнечных пятен, используемые для научных исследований, астрономы проводят в течение почти четырех последних столетий. Галилей проводил свои наблюдения в 1610-1611 гг., и с этого периода регистрация пятен то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась вновь.

К 1843 г. Генрих Швабе собрал достаточно много данных для того, чтобы подтвердить долгое время существовавшее предположение о регулярных флуктуациях числа солнечных пятен. Швабе показал, что число пятен на диске меняется циклически, достигая максимума примерно через каждые одиннадцать лет.

Следующим, кто внес существенный вклад в исследование солнечных пятен, был Рудольф Вольф, швейцарский астроном, который в середине XIX столетия собрал все, какие только мог, данные о пятнах и привел их к удобному виду. Он установил, что средний период цикла равен 11,1 года (см. рисунок 8).

Рисунок 8 Изменения числа солнечных пятен (чисел Вольфа)

За достаточно длинный промежуток времени не только выявляют 11-летний цикл пятен, но и указывают на возможное присутствие цикла, с периодом около 80 лет, который был обнаружен в конце XIX века пулковским астрономом А.П. Ганским.

Для того чтобы придать смысл субъективному суждению о степени запятненности Солнца, определение числа солнечных пятен, данное Вольфом, используется до сих пор. Это число, определяющее меру солнечной запятненности, принимает во внимание как число групп солнечных пятен, так и число самих пятен, наблюдавшихся в данный день. Каждая группа принимается за десять единиц, а каждое пятно -- за единицу. Общий отсчет за день -- число солнечных пятен Вольфа; оно может быть и столь малым, как нуль, и столь большим, как 200.

На каком основании Вольф выбрал для группы значение, равное десяти? Он должен был что-то выбрать-- и в этом вся причина; хотя у его выбора нет физической основы, но схема разумна и позволяет за счет введения большего веса для групп пятен учитывать степень объединения пятен в группы.

Астрономы до сих пор пользуются системой Вольфа. И последнее, что следует упомянуть: существует система корректировки числа пятен, с помощью которой учитываются отличия в индивидуальных свойствах наблюдателей, различие в оборудовании и погодных условиях. Кривая среднемесячного числа солнечных пятен совершенно отчетливо показывает периодическое изменение числа солнечных пятен.

В годы минимума на Солнце долгое время может не быть ни одного пятна, а в максимуме их число обычно измеряется десятками. Последний максимум солнечной активности, с многими пятнами и факелами, наблюдался около 2000 г. В 1989-1990 гг. их было очень много, поскольку на этот период пришелся пик цикла солнечной активности. В середине 1990-х гг. солнечных пятен было относительно немного. В 2000-2001 г. плотность пятен снова была наибольшей.

Английский астроном Эдвард Маундер впервые построил в 1922 г. диаграмму, называемой «бабочками Маундера» (см. рисунок 9). Она показывает зависимость широты солнечных пятен от времени (в солнечном цикле). Характерная форма диаграммы «бабочек Маундера» свидетельствует, что пятна постепенно смещаются к экватору. Отдельное пятно не движется; изменяется лишь средняя широта, на которой появляются пятна.

Рисунок 9

«Бабочки Маундера». Цветом показано число пятен в процентном соотношении Сопоставление диаграммы «бабочек Маундера» с числами Вольфа. Для каждого месяца сумма черточек верхнего графика по вертикали
равна соответствующей высоте черточек нижнего графика (см. рисунок 10).

Рисунок 10

За последние 50 лет течение цикла несколько ускорилось (хотя и незначительно) и цикл уменьшился примерно до 10,5 лет. Усреднение за 200 лет дает период в 11,2 года. За последние 300 лет самый короткий период был равен 7 годам, самый длинный-- 17. Другими словами, поведение цикла регулярно лишь в среднем. Если посмотреть на изменение чисел солнечных пятен за три столетия, то можно заметить, что в подъеме и спаде максимумов, по-видимому, существует некоторая система. Возможно, это указывает на то, что существует другой цикл, равный примерно 80 годам, который модулирует одиннадцатилетний и о котором мы в действительности ничего не узнаем в течение ближайших нескольких сотен лет. Заметим также, что подъем до вершины максимума занимает меньше времени (примерно четыре года), чем спад, который обычно продолжается около шести лет. Хотя система счета Вольфа хорошо выдержала испытание временем, сегодня более разумно измерять солнечную активность количественными методами. Это именно то, чем занимаются в настоящее время обсерватории, которые ведут регулярные патрульные наблюдения за Солнцем, используя в качестве меры активности оценку площадей солнечных пятен в миллионных долях площади видимой солнечной полусферы.

Цикл активности солнечных пятен имеет прямое отношение к климату на Земле. У некоторых деревьев, например, толщина годовых колец тоже имеет 11-летний цикл. Между 1650-1715 гг. пятен на Солнце практически не было (минимум Маундера), солнечный цикл как будто совсем исчез (см. рисунок 11). Это соответствует периоду исключительно холодной погоды в Европе. Объяснения минимума Маундера -- одна из проблем современной астрофизики.

Рисунок 11 Ежегодное среднее число солнечных пятен за период 1610-2000 гг.

Чтобы проверить воздействие 11-летнего солнечного цикла на наш климат, на спутнике был установлен специальный прибор, который измерял количество энергии, произведенной Солнцем за период 1980-1989 гг (см. рисунок 12). Каждый раз, когда на Солнце появлялось большое пятно, количество энергии, излучаемое Солнцем, падало.

Рисунок 12

На этом графике представлены осредненные за месяц числа Вольфа W, соединенные тонкой линией. Черные точки -- среднегодовые значения. Черная линия -- прогноз. Фаза роста 3,5 г. Спада -- 6 лет. Между двумя максимумами 1,5 г.

В 1990-2003 гг. и в последующие годы, естественно, проводились новые серии наблюдений с космических орбитальных телескопов. Ученые надеются, что эти измерения позволят ответить на вопрос, оказывают ли изменения солнечной активности долгосрочное воздействие на Землю -- скажем, содействуют ли они глобальному потеплению на нашей планете.

Астрофизики строят новые современные модели солнечной активности, которые позволяют решить проблему циклической возобновляемости полоидального магнитного поля и дают возможность понять физическую причину «выключения» солнечного цикла -- минимума типа маундеровского. В 2009 году начался новый 24-ый цикл солнечной активности с момента начала наблюдений.

Эта современная версия диаграммы солнечных пятен "бабочка" за 135 лет наблюдений построена (и регулярно обновляется) солнечной группой Центра космических полетов им. Дж. Маршалла НАСА (Marshall Space Flight Center(MSFC) NASA).

Закон чередования магнитной полярности

Важнейшей особенностью цикла солнечной активности является закон изменения магнитной полярности пятен. В течение каждого 11-летнего цикла все ведущие пятна биполярных групп имеют некоторую одинаковую полярность в северном полушарии и противоположную в южном.

То же самое справедливо для хвостовых пятен, у которых полярность всегда противоположна полярности ведущего пятна. В следующем цикле полярность ведущих и хвостовых пятен меняется на противоположную. Одновременно с этим меняется полярность и общего магнитного поля Солнца, полюсы которого находятся вблизи полюсов вращения. Поэтому правильнее говорить не об 11-летнем, а о 22-летнем цикле солнечной активности (цикл Хейла, 1919) (см. рисунок 12).

Рисунок 13

Цикл солнечной активности по Бэбкоку

В современных моделях гелиомагнитного динамо общепринято считать, что тороидальное поле создается из полоидального дифференциальным вращением конвективной зоны Солнца. Одну из первых таких моделей предложил Гораций Бэбкок (1961) (см. рисунок 14).

В эпоху минимума магнитное поле Солнца близко к полю диполя: противоположные полярности сконцентрированы у полюсов (рис. а). Магнитные силовые линии, увлекаемые вращением внешних слоев, вытягиваются вдоль экватора и несколько раз обвиваются вокруг Солнца (б, в). Это усиливает поле (так называемый омега эффект).

Рисунок 14

Согласно гипотезе Бэбкока, биполярные группы солнечных пятен возникают при всплывании петель силовых линий магнитного поля (г) в областях наибольшего его усиления. В местах выхода силовых линий возникает пятно северной полярности, а в местах входа -- южной (д).

Дальнейший распад биполярных областей поля происходит так, что остаточные поля мигрируя к полюсам перемагничивают их на полярности, противоположные исходным, и процесс повторяется в следующем цикле, но со сменой последовательности знака магнитного поля на противоположный (е), что объясняет закон Хейла.