Динамо-машина земного климата
13 августа 2019 г.
Группа британских и российских ученых предложила в Scientific Reports новый математический закон изменения солнечной активности. По расчетам исследователей, из-за физических процессов на Солнце к 2600 году температура Земли поднимется на 2,5—3 °C. Но до этого произойдут еще два больших минимума, когда солнечная активность будет ниже, чем все предыдущие 300 лет.
Солнечные пятна очень непостоянны. Их площадь и форма меняются, как считается, из-за солнечного динамо. Этим термином описывают сложный и не до конца изученный процесс генерации магнитного поля из-за движения составляющей небесное тело плазмы. В разных областях внутри Солнца она движется с разной скоростью, и на границе между ближайшим к солнечному ядру лучистым слоем и внешней конвективной зоной — в так называемом тахоклине — образуются магнитные поля. Весь процесс напоминает принцип действия динамо-машины, генерирующей электрический ток, по которой явление и получило такое название. Каждое пятно на Солнце — это и есть область с мощным магнитным полем.
Обычно на Солнце фиксируют 40—50 тыс. пятен одновременно, но во время больших минимумов их может быть в тысячи раз меньше. Например, в недавний по космическим меркам — с 1645 по 1715 годы — минимум Маундера на Солнце наблюдалось всего около 50 пятен. Как это повлияло на климат Земли? Есть гипотезы, что солнечная активность меняет температуру на поверхности нашей планеты, причем зависимость кажется сравнительно простой — чем больше на Солнце пятен, то есть активных зон, тем больше излучения доходит до Земли, и тем выше температура. Связь между активностью магнитных полей и силой излучения еще не подтверждена, но данные прежних наблюдений с ней согласуются. Маундеровский минимум, например, частично совпадает с малым ледниковым периодом: в историческое время в Старом Свете никогда не бывало таких холодных зим, как в эти 70 лет. Даже пролив Босфор замерзал, не говоря уже о Темзе и Москве-реке.
Давно замечено, что магнитная активность Солнца меняется циклично. Самый короткий 11-летний цикл Швабе известен с XIX века и изучен лучше всего. В начале цикла число солнечных пятен сравнительно быстро возрастает, а затем медленно уменьшается. Есть и другие циклы, например 90-летний, в течение которого количество пятен в 11-летних циклах сокращается на 25–50%. И возникновение больших минимумов, таких, как Маундеровский, тоже циклично. Такое падение количества пятен происходит раз в 300—400 лет.
До недавнего времени возможности прогноза солнечной активности ограничивались одним 11-летним циклом: по особенностям индекса солнечной активности пятен исследователи могли предсказывать характер следующего цикла. Но несколько лет назад группа ученых из британских Университета в Халле, Нортумбрийского и Брэдфордского университетов и российского НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ во главе с Валентиной Жарковой предложила новый подход к моделированию магнитной активности Солнца. Первоначально с его помощью ученые предсказали наступление в ближайшие десятилетия минимума, сравнимого с маундеровским. В новой статье коллектив распространил прогноз дальше. Судя по новым расчетам, количество попадающего на Землю солнечного излучения продолжит расти и достигнет максимума к 2600 году. А затем начнется плавное снижение активности Солнца. Ранее таких долгосрочных прогнозов не давал никто.
Как рассказывает одна из участников научной группы, кандидат физико-математических наук Елена Попова (сейчас она работает в Высшей школе экономики), новые результаты удалось получить благодаря анализу накопленных наблюдений с помощью метода главных компонент. В отличие от других научных групп, физики и математики анализировали не индекс активности солнечных пятен, а результаты спектрального анализа фонового магнитного поля Солнца. Группа Жарковой оказалась первой, кто воспользовался этими данными. Метод главных компонент позволил выделить из всего спектра волны с наибольшим вкладом в изменение солнечной активности. Выяснилось, что магнитные волны генерируются в Солнце парами. Другие математические методы (символический регрессионный анализ, основанный на гамильтоновой инвариантности) помогли получить формулы для описания эволюции главной пары волн. И рассчитанная по этим формулам теоретическая эволюция солнечной активности с 1200 до 3200 годы совпала с реальными минимумами в прошлом.
В то же время физико-математическая модель эволюции магнитной активности Солнца, построенная Поповой независимо от информации наблюдений, дала очень близкие расчеты. За основу Елена взяла существующие модели генерации магнитного поля в звездах, но рассмотрела не одну, а две волны магнитного поля, так как по эмпирическим данным уже было известно, что они возникают парами. Модель дает физическое объяснение возникновению минимумов солнечной активности. Согласно ей, они происходят из-за взаимодействия двух волн между собой. Пара возникает на равной глубине внутри Солнца, и получившиеся волны имеют близкие частоты. При наложении этих волн друг на друга на поверхности Солнца начинается так называемое биение амплитуды. Амплитуда получившегося магнитного поля меньше, чем у волн по отдельности. Этот спад длится несколько десятилетий. Смоделировав взаимодействие и биение волн, Елена Попова получила практически те же периоды минимальной магнитной активности, что и ее коллеги по формулам, выведенным на основе эмпирических данных.
Полученные обоими методами прогнозы позволяют ученым предполагать, что в ближайшие столетия солнечная активность вырастет. Тенденция к ее усилению существует с окончания маундеровского минимума, то есть последние 300 лет, и сохранится и далее — за этим стоят, как предполагают ученые, более сложные биения амплитуд или флуктуации в физических характеристиках Солнца. В результате только за счет повышенной солнечной активности (если не брать в расчет климатические и антропогенные процессы на самой Земле) к 2600 году температура на поверхности планеты будет на 2,5—3 °C выше, чем сейчас. Но это медленное, меньше, чем 0,5 °C за столетие повышение температуры будет сопровождаться обычными циклическими колебаниями: в начале 11-летнего цикла солнечная активность будет немного выше, в конце — немного ниже. Цикл в 300—400 лет, объясняющий большие минимумы солнечной активности, тоже не исчезает. Ближайший минимум наступит совсем скоро, в 2030 — 2040 годах. Продлится он, по расчетам исследователей, меньше, чем минимум Маундера, не более 30 лет. Следующий минимум, тоже короткий, прогнозируется на 2370 — 2415 годы.
Будет ли новый минимум таким же малым ледниковым периодом, как маундеровский? На этот вопрос нельзя ответить, анализируя только солнечную активность. Если спрогнозированный минимум магнитной активности Солнца действительно наступит, это, безусловно, подтвердит позицию группы Жарковой. Будет доказана надежность новых методов, в том числе для тысячелетних прогнозов. Но повлияет ли уменьшение числа солнечных пятен на климат Земли — куда более сложный вопрос. «Новый минимум даст нам возможность оценить, насколько солнечная активность на самом деле может влиять на изменение температуры на Земле», — говорит Елена Попова. Если количество пятен на Солнце уменьшится, и температура на Земле действительно снизится, подтвердятся предположения, что между магнитной активностью и интенсивностью солнечного излучения существует прямая связь.
А если никакого похолодания на планете не будет? Это может означать, что между пятнами на Солнце и климатом Земли нет зависимости. Может оказаться и так, что зависимость есть, но ее влияние будет уравновешиваться разнообразными антропогенными факторами повышения температуры. Так что ждем минимума в 2030-е годы: он или подтвердит, что климат Земли зависим от количества солнечных пятен, или поставит новые вопросы и для астрономов с физиками, и для климатологов.
Источник: Indicator.Ru