Непредсказуемая звезда

Ученые нашли способ предсказания активности Солнца на тысячелетия вперед

Солнце на снимке космической обсерватории SDO. Фото: NASA/SDO

Исследователи из Великобритании и России выявили в магнитном поле Солнца две основные волны, которые предсказывают активность звезды на сотни и тысячи лет. Однако эксперты относятся к этой работе скептично и считают, что в настоящее время спрогнозировать солнечную активность на столь долгий срок невозможно.

Активностью Солнца — пятнами, вспышками и корональными выбросами массы — управляет его магнитное поле. Оно, в свою очередь, зависит от движения плазмы во внутренних слоях звезды. Традиционно предсказания солнечной погоды основываются на подсчете пятен — темных областей на Солнце с высокими магнитными полями (до 1000 Гаусс), температура в которых ниже окружающей их фотосферы — слоя атмосферы звезды, который дает основную часть ее излучения. Пятна являются областями, где магнитное поле очень сильно, в тысячу раз больше земного. Количество пятен на Солнце меняется циклично примерно каждые 11 лет из-за циклических вариаций магнитного поля Солнца. Отсчет циклов ведется с 1755 года, и сейчас мы находимся примерно в середине 24-го цикла.

Математический метод для солнечной активности

«Метод подсчета пятен ненадежен, потому что результаты осмотра, а следовательно и прогнозы солнечной активности разных наблюдателей, часто отличаются. Для текущего, 24-го солнечного, в предыдущем 23-м было сделано 130 прогнозов, и из них только два правильно предсказали, что цикл будет слабым. Это вызвало вопрос: может быть, мы делаем что-то не так? Потому что используются самые современные математические методы, а предсказать солнечную активность правильно пока не удается», – сказала автор работы Валентина Жаркова, профессор математики в Нортумбрийском университете.

Жаркова и ее коллеги обратились к магнитограммам — картам плотности магнитных потоков в фотосфере Солнца, сделанным во время 21—24-го одиннадцатилетних солнечных циклов. Для их анализа они применили статистические методы, используемые в области распознавания образов.

«Мы понимали, что в магнитном поле Солнца есть много разных волн, подобно тому, как белый цвет получается смешением всех цветов радуги. А поскольку я изначально занималась проблемами распознавания образов, мы решили, почему бы не применить статистические методы, используемые в этой области, именно метод принципиальных компонент, и найти те волны, или принципиальные компоненты, которые вносят наибольший вклад в вариации магнитного поля Солнца», – рассказала исследователь.

Пятна на Солнце. Фото: NASA/SDO/AIA/HMI/Goddard Space Flight Center


Ученые обнаружили, что основной вклад в солнечную активность вносят две волны в магнитном поле звезды. Эти волны немного отличаются, их периоды близки к 11 годам, но у одной волны этот период слегка короче чем у другой: например, период одной может быть 11 лет, а второй – 10,5. Более того, фазы этих волн тоже меняются со временем так что одна волна как бы убегает вперед от другой. Из-за этой разницы волны начинают взаимодействовать, и возникает эффект 'биения', т.е. в активности Солнца появляется не только одиннадцатилетний летний цикл, но и более долгий цикл, длина которого варьируется от 350 до 400 лет и который также влияет на количество пятен на Солнце.

«Такой анализ позволяет предсказывать солнечную активность с точностью 97% в отличие от метода, основанного на подсчете пятен», – пояснила Жаркова.

Построением модели, объясняющей физический механизм работы этих двух волн, занималась старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Елена Попова. По ее расчетам, волны генерируются в разных слоях Солнца: одна более глубоко, другая ближе к поверхности.

«До нас считалось, что только та волна, которая генерируется в глубине Солнца, отвечает за появление пятен. А оказалось, что обе волны определяют как общее магнитное поле Солнца, так и количество пятен на нем в каждый период», – сказала Жаркова.

По расчетам ученых, поведение этих двух волн хорошо согласуется с наблюдавшимися пиками и спадами активности Солнца, например, с минимумом Маундера в 1645-1715 годах, во время которого количество пятен на Солнце было очень небольшим. Минимум Маундера отчасти совпал по времени с малым ледниковым периодом – существенным похолоданием в XIV-XIX веках.

«Через 5-6 лет на Солнце начнется очередной минимум, подобный маундеровскому. Мы климат не просчитывали, поэтому у меня есть только интуитивное представление, как динамика солнечной активности может повлиять на климат на Земле. Я считаю, что нас ждет похолодание. Но, если оно будет, то продлится всего около 33 лет, а когда после этого Солнце вернется в прежний режим, то потепление будет еще более сильным, потому что следующий цикл будет довольно мощным», – отметила ученый.

Однако связь между падением солнечной активности и похолоданием достоверно не установлена, поэтому неизвестно, приведет ли спад активности Солнца к похолоданию на Земле на самом деле.

Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Можно ли предсказать Солнце?

Мнения экспертов по поводу этой работы расходятся. Некоторые полагают, что метод, использованный в работе, основан на подгонке параметров модели под исторические данные. То есть полученный результат говорит не о надежности метода, а скорее о гибкости исходной модели. При этом исследователи отмечают, что использованный математический метод плохо подходит для описания нелинейных процессов на Солнце, а физическая модель не опробована на известных данных о солнечной активности.

Само прогнозирование долгосрочной активности Солнца в настоящее время некоторые ученые полагают делом неблагодарным. Знания о звезде неполны, происходящие процессы сложны и изменчивы, поэтому часто получается так, что для каждого нового цикла солнечной активности разные исследователи дают разные прогнозы. При этом, с другой стороны, иногда прогнозы, сделанные при помощи самых разных методов, совпадают.

«Авторы затронули очень интересную тему — долговременные изменения магнитной активности Солнца. Эта проблема особенно актуальна в настоящее время, когда активно обсуждается долговременные изменения климата, возможное влияние солнечной активности на климатическую систему Земли», — считает Александр Мордвинов, заведующий лабораторией солнечной активности Института солнечно-земной физики СО РАН.

Однако он отметил, что Жаркова и ее коллеги анализировали данные магнитных полях Солнца с 1975 года (циклы 21-24), и делали прогноз на 25-26 циклы. Но уровень солнечной активности постепенно понижался, начиная с 1957 года, то есть спад охватил циклы с 20 по 24. «Если при построении методики прогноза ограничиться периодом 1975-2015 годами, то даже самые простые способы экстраполяции данных покажут дальнейшее уменьшение уровня солнечной активности», — отметил эксперт.

Ученый пояснил, что в изменении солнечной активности наблюдаются вековые циклы, плюс анализ косвенных данных о солнечной активности выявил также менее регулярные изменения на тысячелетней шкале времени. «Эти изменения определяют динамику солнечной активности на большой шкале времени и природа их пока не известна», — пояснил Мордвинов.

«Научные сенсации приходят и не всегда оправдываются. Надежные прогнозы солнечной активности будут получены тогда, когда будут построены адекватные теоретические или эмпирические модели долговременных изменений солнечной активности. К сожалению, пока таких моделей не существует, и здесь большое поле деятельности для специалистов по теории гидромагнитного динамо», — заключил ученый.

«По моему мнению, исходные положения и математический аппарат, используемые в статье, являются в настоящее время наиболее перспективными для построения адекватной физической модели солнечной цикличности», — считает Анатолий Хлыстов, старший научный сотрудник ГАИШ МГУ.

Однако вывод авторов статьи о том, что их метод позволяет уверенно предсказывать солнечную активность на тысячи лет вперед, ученый также считает «слишком оптимистичным» и полагает, что «уверенное предсказание солнечной деятельности на тысячелетней шкале времени в рамках этого метода невозможно». Он считает, что прогноз на столь долгий срок может стать реальностью при дополнительном учете влияния на магнитное поле Солнца притяжения планет.

«Метод принципиальной компоненты выводит свои собственные результаты, как было объяснено в нашей статье в Nature. Этот метод не позволяет делать какую-либо подгонку, а дает свои независимые результаты. И формулы, что мы вывели, основаны только на принципиальных компонентах, а не на солнечной активности. Только после выведения закона мы протестировали свои формулы на солнечной активности и нашли отличное совпадение. Нелинейная динамо модель с двух-ячеистой меридиональной циркуляцией развитая Поповой очень хорошо объяснила нашу кривую на всем протяжении за 1200-3200 года», - пояснила Жаркова.
Теги:

Читать еще на Чердаке: