Солнечная активность

НАУКИ О ЗЕМЛЕ СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ А. В. БЛИНОВ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

И в солнце есть пятна.

SOLAR ACTIVITY

(В.И. Даль. Словарь живого русского языка)

A. V. BLINOV

The Sun, being the nearest star and the fundamental of life on the Earth, still remains an enigmatic object. One of the long-standing questions is the nature of its surface activity. Solar cycle is both a manifestation of solar interior dynamics and a driving force in solarterrestrial relationship.

© Блинов А.В., 2004

Солнце, ближайшая к нам звезда и первооснова жизни на Земле, во многом остается загадочным объектом. Одной из загадок Солнца является природа его поверхностной активности. Солнечный цикл – это одновременно проявление внутренней динамики и возмутитель спокойствия в системе Солнце–Земля.

64

ФЕНОМЕНОЛОГИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Понятие солнечной активности длительное время было синонимом обилия пятен на видимом диске Солнца. Лишь в последние десятилетия оно расширилось и включило в себя весь комплекс явлений, связанных с нестационарным выделением энергии на поверхности и в атмосфере Солнца. Определяющая роль в современных наблюдениях принадлежит спутниковым экспериментам, регистрирующим излучение в диапазоне длин волн от инфракрасного до гамма и потоки ускоренных частиц. Однако всеволновая астрономия молода, и информация, накопленная об изменении солнечной активности за десятки и сотни лет, содержится преимущественно в сводке данных о числе солнечных пятен [1]. Темные области на поверхности Солнца были замечены не позднее IV в. до н.э., однако их систематическое изучение началось только после изобретения телескопа. Честь первых астрономических наблюдений солнечных пятен по праву следует разделить между четырьмя европейскими астрономами: великим итальянцем Галилео Галилеем (Galileo Galilei), чье имя традиционно связывают с этим открытием, а также немцем Кристофом Шейнером (Christoph Scheiner), англичанином Томасом Хэриотом (Thomas Hariot) и голландцем Иоганом Фабрициусом (Johannes Fabricius). Последние трое известны лишь специалистам, хотя сообщили о результатах своих наблюдений в том же 1611 году, что и Галилей.

journal.issep.rssi.ru

Типичный вид пятна в оптическом диапазоне, сходный с увиденным первооткрывателями, приводится на рис. 1. Попробуем понять, что за ним скрывается. Если сделать естественное предположение, что меньшая яркость затемненной области I связана с ее меньшей температурой T, то температуру тени можно вычислить

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4

НАУКИ О ЗЕМЛЕ Длительные астрономические наблюдения показали, что активные области на Солнце существуют попарно, то есть пятну или группе пятен с восходящим направлением магнитных силовых линий обязательно соответствует пятно или группа с нисходящим магнитным направлением. Это вызывает мысленную картину петли, магнитной структуры арочного типа, опирающейся на области прохождения поля через фотосферу (рис. 2, а). Арка – это вынос над поверхностью части одной из магнитных трубок, невидимо пронизывающих находящуюся под поверхностью конвективную зону Солнца. При этом, как мы уже предположили, разница давлений вне и внутри силовой трубки определяется давлением удерживаемого внутри нее магнитного поля, которое компенсирует недостаток теплового давления для всплывающего элемента. Из такой картины следует, что появление на поверхности Солнца всплывающей магнитной трубки должно проявляться в виде более темной области. Рождается солнечное пятно! Рис. 1. Так выглядит солнечное пятно – темная область на более яркой поверхности фотосферы. Заметна ячеистая структура вещества вокруг пятна, называемая грануляцией

a б Ω

по измеренным потокам излучения от тени и окружающей фотосферы по закону Стефана I 4 I = σT ⇒ T п = T ф 4 ----п- , Iф

(1)

где σ – постоянная Стефана–Больцмана, а индексы п и ф относятся к пятну и фотосфере. Наиболее надежным экспериментальным значением отношения интенсивностей является 0,24, что при температуре фотосферы около 6000 K дает для тени пятна температуру порядка 4200 K. Удивительно, что при таком контрасте температур граница пятна выглядит очень резкой, без протяженной переходной зоны. Измерения показали, что солнечные пятна – это области усиления поверхностного магнитного поля, причем там его силовые линии направлены преимущественно перпендикулярно поверхности фотосферы. Сильное вертикальное магнитное поле напряженностью H должно препятствовать конвективному переносу тепла из подфотосферных слоев, что и приводит к пониженной температуре. При этом пятно находится в термодинамическом равновесии с соседним веществом фотосферы, то есть избыток давления рвнеш окружающего газа компенсируется давлением магнитного поля: 2

H p внеш = p внутр + ------. 8π

(2)

в

α

Рис. 2. Динамика магнитного поля Солнца: а – арочная структура магнитных силовых линий, связывающих пятна противоположной полярности; б – схема действия Ω-эффекта, закручивание магнитных силовых линий за счет дифференциального вращения солнечного вещества; в – схема действия α-эффекта, восстановление общего меридионального поля из петель, образованных тороидальными силовыми линиями

ДИНАМИКА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Долгое время изменение солнечной активности представлялось случайным. Лишь в 1843 г. баварский астроном-любитель Генрих Швабе (Heinrich Schwabe), обобщив собственные наблюдения за период 1826– 1843 гг., обнаружил периодичность в появлении максимумов и минимумов числа наблюдаемых пятен. Директор Бернской, а позднее Цюрихской обсерваторий в Швейцарии Рудольф Вольф (Rudolf Wolf) подтвердил

БЛИНОВ А.В. СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

65

НАУКИ О ЗЕМЛЕ открытие Швабе и установил период изменений солнечной активности: так был открыт 11-летний цикл. В 1848 г. Вольф организовал службу наблюдений и подсчета пятен по ставшей стандартной методике. Количественным показателем уровня солнечной активности был выбран параметр, впоследствии названный индексом Вольфа W. Эта интегральная характеристика, вычисляемая по результатам ежедневных наблюдений, коррелирует со многими другими проявлениями солнечной активности, но, по-видимому, не определяется однозначно какой-либо первичной физической величиной. Индекс Вольфа, или число Вольфа, W определяют по формуле W = k(10g + f ),

(3)

где f – полное число одиночных солнечных пятен, g – число групп солнечных пятен и k – нормирующий множитель, учитывающий различия в условиях наблюдений. К настоящему времени история солнечной активности представлена уникальным, самым длинным из известных человечеству рядом наблюдательных данных, отражающим ее динамику на протяжении почти 400 лет. В графическом виде он приводится на рис. 3. Одной из главных особенностей ряда является устойчиво повторяющееся чередование в нем минимумов и максимумов, названное 11-летним циклом солнечной активности. Гораздо позднее выяснилось, что смена полярности магнитного поля лидирующих пятен в обоих полушариях меняется с периодом, близким к 22 годам, то есть 11-летний период является лишь полупериодом и внешним проявлением исходного цикла изменений общего магнитного поля Солнца. Откуда берется столь сильное магнитное поле под поверхностью Солнца? Что является источником его W 250 200 150 100 50 0 1500

1600

1700

1800

1900

2000 Годы

Рис. 3. Обобщенный ряд чисел Вольфа W, построенный из прямых астрономических наблюдений и косвенных данных (http://sidc.oma.be)

66

энергии? Почему оно подвержено периодическим изменениям? Качественную картину эволюции солнечного магнитного поля, способную ответить на эти вопросы, предложил американский астрофизик Юджин Паркер (Eugene Parker) в конце 1950-х годов. Его модель, получившая широкое признание, называется альфа–омега-динамо. Попробуем понять ее физический смысл. Особенностью вращения Солнца является его дифференциальный характер, то есть разная угловая скорость вращения вещества на различной глубине и широте. Предполагается, что молодое Солнце после своего рождения уже обладало некоторым общим магнитным полем, похожим на поле диполя. Оно не могло оставаться стационарным и испытывает циклические изменения. Из-за высокой электропроводности внутренних областей Солнца магнитное поле не может уходить глубоко в недра и должно быть сосредоточено в сравнительно узком приповерхностном слое, называемом верхней конвективной зоной. В этой области тепловая энергия, генерируемая термоядерными реакциями в солнечном ядре, переносится к поверхности за счет коллективных движений вещества, называемых конвекцией, то есть перемешиванием вещества с разной плотностью, находящегося в гравитационном поле. Но солнечное вещество – это плазма с высокой электропроводностью, и в ней магнитное поле, как говорят, вморожено в вещество. В условиях высокой электропроводности необходимость сохранения магнитного потока через заданный контур приводит к связанному движению плазмы и проходящих через нее магнитных силовых линий. Смещение вещества обязательно изменяет конфигурацию поля. В этих условиях Ω-эффектом называют закручивание меридиональных магнитных силовых линий, удерживаемых веществом, за счет дифференциального вращения Солнца, как показано на рис. 2, б. Из рисунка видно, что Ω-эффект формирует опоясывающее, обычно называемое тороидальным, магнитное поле. Можно понять, что его величина будет возрастать по мере возрастания закрученности исходного меридионального поля. В альфа–омега-модели этот рост ограничивается возникновением α-эффекта, которым называют перезамыкание опоясывающих силовых линий с восстановлением общего квазидипольного поля (рис. 2, в). Конвективные движения под действием гравитации и вращения создают вихри, возмущающие тороидальное поле. Поворот петель и их перезамыкание, изображенные на рисунке, приведут к восстановлению исходного меридионального вида магнитного поля. Отметим, что если поворот тороидальных ячеек произойдет на 90° в обратном направлении в противоположных

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4

НАУКИ О ЗЕМЛЕ полушариях, как и следует ожидать от движения под действием силы Кориолиса, то новое поле будет обладать знаком, противоположным начальному. Таким образом, модель Паркера способна качественно объяснить многие свойства солнечной активности, наблюдаемые на временах, соразмерных десяткам лет. Однако на более длинной временной шкале солнечный цикл демонстрирует еще одну загадку – интервалы пониженной солнечной активности, продолжавшиеся несколько десятков лет. Ближайшим из них по времени и единственным, имеющим астрономическое подтверждение, является так называемый минимум Маундера 1645–1715 гг. На протяжении 70 лет пятна на Солнце или отсутствовали совсем, или соответствовали очень малым (в среднем менее 10 за 11-летний цикл) числам Вольфа. По косвенным данным, из которых важнейшим является изменение концентрации радиоактивного изотопа углерода 14С в кольцах деревьев [3], были выделены и другие периоды подавленной солнечной активности в нашем тысячелетии: 1420–1530 гг. (минимум Шпёрера), 1280–1340 гг. (минимум Вольфа) и 1010–1050 гг. (минимум Оорта). Природа глобальных минимумов неизвестна, хотя имеются свидетельства того, что периодичность в поверхностной активности – это типичная особенность звезд того же спектрального класса, что и Солнце [4]. СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ КАК ПРОЯВЛЕНИЕ ХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ Представление о солнечной цикличности как о периодическом или квазипериодическом процессе, прошедшее пик популярности в середине XX в., по мере накопления и повышения качества экспериментальных данных, столкнулось со многими трудностями. Амплитуда и длительность 11-летних циклов солнечной активности, сохраняясь в среднем, меняются произвольным образом, их практически невозможно предсказать даже на один цикл вперед. Логичным казалось рассматривать солнечную активность как периодический процесс со случайным возмущением. Классической аналогией является раскачивающийся массивный маятник, окруженный группой маленьких озорников, наносящих ему легкие пинки. Каждый пинок возмущает амплитуду и фазу колебаний, при этом результирующее действие за один период меняется случайным образом. Применительно к источнику солнечной активности это может означать, например, модель генерации в конвективной зоне Солнца строго периодического магнитного поля, которое случайным образом задерживается на пути к границе фотосферы.

Однако возможно и другое качественное понимание динамики солнечной активности. Оно связано с понятием детерминированного хаоса [5]. Системы, демонстрирующие детерминированный хаос в поведении, характеризуются чувствительной зависимостью от начальных условий. В упрощенном виде она означает, что система в силу своих внутренних свойств в практически одинаковых обстоятельствах будет воспроизводить единый закон движения бесконечным числом способов. Отсюда и могут проистекать одновременная закономерность солнечной активности и ее непредсказуемость. За минимумом солнечной активности обязательно последует максимум, но когда и какой – мы предсказать практически не можем. Чем на большее время будет даваться прогноз, тем меньшей достоверностью он обладает, причем потеря предсказуемости (увеличение разности между предсказанным и действительным значениями) будет происходить по экспоненциальному закону. Анализ ряда чисел Вольфа свидетельствует об обоснованности предположения о хаосе в солнечной активности. Но построить математическую модель его эволюции пока не удалось, это захватывающая задача ближайшего будущего. СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И КЛИМАТ ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ В конце XX в. на Земле теплело. Этот принципиальный вывод окончательно сделан после того, как 1997 и 1998 гг. последовательно стали самыми теплыми за все время инструментальных наблюдений. При этом спор о доминирующей причине глобального потепления далеко не закончен. Более популярное объяснение утверждает, что это результат индустриальной деятельности человеческой цивилизации. Интенсивно нарастающее сжигание органического топлива привело к накоплению в атмосфере углекислого газа в количестве, достаточном для изменения радиационного баланса, к искусственному усилению атмосферного парникового эффекта. Однако если еще раз обратиться к рис. 2, то можно заметить, что и солнечная активность в XX в. в среднем возрастала. Существует несколько возможных физических механизмов воздействия солнечной активности на климат [4]. Перечислю основные: – изменение полного потока энергии солнечного излучения, способное непосредственно привести к изменению поверхностной температуры; – изменение потока ультрафиолетового излучения Солнца, влияющего на концентрацию стратосферного озона и через него косвенно на атмосферную циркуляцию и климат;

БЛИНОВ А.В. СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

67

НАУКИ О ЗЕМЛЕ – изменение потока космических лучей на орбите Земли, что, в свою очередь, приводит к изменению удельной ионизации верхней стратосферы и как следствие – к изменению плотности образования аэрозольных частиц. Из сказанного следует, что солнечная активность несомненно должна влиять на земной климат. Предмет спора состоит в величине этого воздействия. Относительная величина изменения потока солнечной энергии на орбите Земли за время типичного цикла солнечной активности, по данным спутниковых измерений, составляет лишь одну-две десятые процента. К сожалению, мы пока слишком плохо понимаем глобальную тепловую машину, чтобы достоверно смоделировать ее отклик на такое слабое возмущение. Ясно только, что в рамках линейных приближений он окажется недостаточным для объяснения наблюдаемого в действительности изменения температуры (рис. 4). Это основной аргумент тех, кто отрицает связь происходившего на Земле в последние десятилетия потепления с повышением активности Солнца. Но и они признают, что неопределенность в оценке антропогенного парникового эффекта во многом обусловлена неопределенностью вклада солнечной активности в изменение климата Земли. Своими рассуждениями я хотел убедить читателей, что проблема изучения и прогноза солнечной активности имеет важное значение не только для нескольких космонавтов, работающих на орбитальных аппаратах, но и для всего многомиллиардного экипажа обитаемого космического корабля Земля. ЛИТЕРАТУРА 1. Витинский Ю.И. Солнечная активность. М.: Наука, 1984. 2. Кочаров Г.Е. Экспериментальная палеоастрофизика: Достижения и перспективы // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 11. С. 66–72. 3. Baliunas S., Jastrow R. Evidence for long-term brightness changes of solar-type stars // Nature. 1990. Vol. 348. P. 520–523.

68

ti – tср, °C

Wi Wср 1,5

0,4

1,0

0

0,5

–0,4

–0,8 1850

1900

1950

0 2000

Годы Рис. 4. Сравнение динамики поверхностной температуры Земли и солнечной активности за период с 1860 по 1999 г. Синяя кривая – отклонение ti − tср среднегодовой глобальной поверхностной температуры от среднего значения, красная кривая – относительное значение среднегодового числа Вольфа Wi /Wср

4. Анищенко В.С. Детерминированный хаос // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 6. С. 70–76. 5. Пудовкин М.И. Влияние солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду// Там же. 1996. № 10. С. 106–113.

Рецензент статьи А.М. Черепащук *** Александр Всеволодович Блинов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры космических исследований Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Член Европейского общества по изучению окружающей среды. Область научных интересов – физика космических лучей, радиоактивность в окружающей среде, солнечно-земные связи. Автор 65 научных публикаций и учебных пособий.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 8 , № 2 , 2 0 0 4