Кольца активности — циклы солнечной активности¶

Кольца активности — периодические колебания уровня солнечной активности, проявляющиеся в виде закономерного увеличения и уменьшения числа солнечных пятен, вспышек и других магнитных явлений на поверхности Солнца. Наиболее изученный цикл имеет продолжительность около 11 лет и известен как цикл Швабе — по имени немецкого астронома Самуэля Швабе, впервые описавшего регулярность этих изменений в 1843 году. Термин «кольца активности» отражает геометрическую закономерность: при нанесении солнечных пятен на карту «широта — время» их очаги образуют характерные дуги, напоминающие кольца или «бабочки» (butterfly diagram), открытые Эдвардом Мовером в 1904 году.

¶История открытия

Первые систематические наблюдения солнечных пятен вёл Галилео Галилей с 1610 года, однако долгое время считалось, что их количество меняется случайно. В 1843 году немецкий астроном-любитель Самуэль Швабе, анализируя 17 лет наблюдений, обнаружил, что число пятен растёт и падает с периодом примерно 10 лет. Его открытие подтвердил швейцарский астроном Рудольф Вольф, введший в 1848 году так называемое «число Вольфа» — индекс, характеризующий количество солнечных пятен с поправкой на условия наблюдения.

В 1904 году английский астроном Эдвард Мовер построил диаграмму, на которой пятна, отсортированные по солнечной широте и времени, образовали ряд симметричных полос, расходящихся от высоких широт к экватору в течение каждого цикла. Эта «бабочковая диаграмма» и есть визуальное воплощение «колец активности»: каждая дуга соответствует одному 11-летнему циклу.

¶Механизм возникновения

Кольца активности являются проявлением магнитного цикла Солнца, который длится около 22 лет. В начале цикла магнитное поле Солнца имеет дипольную структуру с полярностью, совпадающей с географическими полюсами. По мере развития цикла под действием дифференциального вращения Солнца (экватор вращается быстрее полюсов) магнитные силовые линии закручиваются, и поле трансформируется в тороидальное. Участки с усиленным магнитным полем поднимаются на поверхность и образуют солнечные пятна — области с интенсивным полем до 3–4 кГс, где конвекция подавлена, поэтому пятна холоднее окружающей фотосферы.

Закономерность, открытая Мовером, объясняется тем, что новые циклы начинаются на широтах около 30–40°, а по мере развития цикла зона порождения пятен смещается к экватору. К концу цикла пятна появляются уже на широтах 5–10°, после чего начинается новый цикл с полярностью, обратной предыдущему. Через два 11-летних цикла магнитная конфигурация Солнца возвращается к исходной — отсюда 22-летний «магнитный цикл Хейла».

¶Характеристики циклов

Циклы активности существенно различаются по интенсивности и длительности. Некоторые из них исключительно мощные: цикл 19-й (1954–1964) достиг рекордного числа Вольфа свыше 280, тогда как цикл 24-й (2008–2019) был одним из слабейших за последнее столетие с пиком около 115. Продолжительность цикла варьируется от 9 до 14 лет.

Помимо 11-летнего цикла выделяют циклы с большей периодичностью: вековой цикл Глессбера (около 80–90 лет) и мультивековой цикл, связанный с чередованием «великих минимумов» вроде минимума Маундера (1645–1715), когда солнечные пятна практически отсутствовали.

¶Влияние на Землю

Пик солнечной активности сопровождается увеличением числа солнечных вспышек и выбросов корональной массы, которые, достигая Земли, вызывают магнитные бури. Последствия включают:

• нарушения работы спутниковых систем связи и навигации;
• токи в длинных линиях электропередачи (в 1989 году в Квебеке произошёл масштабный блэкаут из-за магнитной бури);
• полярные сияния, наблюдаемые на широтах, обычно нехарактерных для них;
• влияние на ионосферу и качество радиосвязи.

Существуют дискуссии о связи циклов солнечной активности с климатическими колебаниями, например с циклом Миншера (около 11 лет), однако количественное влияние остаётся предметом научных исследований.

¶Наблюдения и прогнозирование

В России наблюдения за солнечной активностью ведутся более 150 лет: непрерывные ряды солнечных наблюдений хранятся в Пулковской обсерватории и Институте земного магнитизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН). Современные прогнозы циклов основаны на методах предсказания по «предшествующим» пятнам (precursor method), а также на данных космических обсерваторий — SDO, SOHO и «Солнечной динамики». Цикл 25-й, начавшийся в декабре 2019 года, по предварительным оценкам оказался активнее предыдущего, что подтвердило прогнозы группы учёных из Национального управления США по океаническим и атмосферным исследованиям (NOAA).

Источники:

• Жуков Б. И. «Солнечная активность и ионосфера»
• Несмиян Ю. И. «Солнечная магнитная активность»
• Maunder E. W. «The Law of Frequency of Sun-spots» (1904)
• Справочник «Солнечная и солнечно-земная физика», ИЗМИРАН