Чем больше пятен, тем теплее

Тигран Оганесян
10 ноября 2003, 00:00

Последние шестьдесят лет наблюдается повышенная солнечная активность. Такой не наблюдалось уже тысячу лет. Если не больше

В прошлый вторник на Солнце была зарегистрирована очередная, десятая за последние две недели, мощная вспышка. По предварительным оценкам, фейерверк от 4 ноября 2003 года, сопровождавшийся колоссальным выбросом вещества из короны, был рекордным за все время регулярных измерений интенсивности солнечных вспышек в рентгеновском диапазоне - его уровень по специальной Х-шкале (Х обозначает наличие рентгеновского излучения, а цифры - его относительную величину), возможно, превысил предыдущий максимум Х20, отмеченный в апреле 2001 года.

Но дело даже не в астрофизических рекордах. Удивительно другое - совершенная неуместность подобной активности как по срокам, так и по интенсивности ее проявлений в столь короткий даже по человеческим меркам отрезок времени. Последний пик солнечной активности случился совсем недавно, в 2001 году, а следующий должен был произойти примерно через одиннадцать лет (именно такова продолжительность усредненного солнечного цикла). Однако вместо ожидаемого спада активности, который, по теории, должен был прийти на смену пику, Солнце снова бурлит и волнуется.

Пятна и вспышки

Наблюдаемая активность Солнца - отражение процессов, происходящих в его глубинных слоях. В ядре Солнца происходят термоядерные реакции, выделяемая энергия переносится к его поверхности, порождая сложную структуру и динамику промежуточных слоев: конвективную зону, фотосферу, хромосферу, корону и солнечный ветер. Под "солнечной активностью" в современной астрофизике понимается вся совокупность нестационарных явлений, происходящих на нашей звезде. Периодический процесс развития на Солнце активных областей, характеризующихся выходом на поверхность сильных магнитных полей, затрагивает весь диск Солнца и сопровождается различными явлениями. К этим явлениям относятся солнечные пятна, солнечные вспышки, факелы, флоккулы, протуберанцы, корональные лучи, спорадическое радиоизлучение и проч.

Наиболее наглядное проявление солнечного цикла - изменение числа солнечных пятен, входящих в состав активных областей. Появление многочисленных пятен, темных образований в фотосфере Солнца, служит важнейшим признаком растущей солнечной активности. Температура солнечных пятен ниже температуры фотосферы на 1-2 тыс. градусов (4,5 тыс. градусов по Кельвину и ниже). Именно поэтому такие зоны и выглядят на фоне яркого диска Солнца "пятнами".

В процессе развития активной области в атмосфере Солнца иногда возникают ситуации, когда возможна быстрая перестройка магнитных полей. Эта перестройка вызывает вспышки, сложную циркуляцию ионизированного газа, его свечение, ускорение частиц и т. д. Вспышки на Солнце представляют собой самые мощные из всех проявлений солнечной активности. В результате вспышки происходит внезапное выделение энергии в верхней хромосфере или нижней короне, генерирующее кратковременное электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн - от жесткого рентгеновского (и даже гамма-излучения) до километровых радиоволн.

Вспышка генерирует сильную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы, через 1,5-2 суток вызывающее магнитную бурю на Земле, понижение интенсивности галактических космических лучей, усиление полярных сияний и возмущение ионосферы.

Прямой взаимосвязи между появлением пятен на Солнце и солнечными вспышками вроде бы не обнаружено, однако, как правило, вспышки возникают в непосредственной близости от пятен. Сильные вспышки вообще-то весьма редкое явление, и такое их количество в течение всего одной недели этого года - просто рекорд.

На солнце неспокойно

Мощные процессы выделения энергии, аналогичные солнечным вспышкам, происходят и на удаленных от нас звездах, но только на Солнце мы имеем реальную возможность детально изучить физику вспышек и прочих проявлений звездной активности.

Впрочем, далеко не все разгадки тайн солнечной активности следует искать непосредственно на поверхности или в глубинах звезды. Вот пример успешной "наземной" работы нашего соотечественника 38-летнего выпускника Ленинградского политехнического института Ильи Усоскина, с января 2000 года руководящего работой станции по изучению космических лучей финского университета Оулу.

В конце октября в журнале Physical Review Letters опубликована статья Ильи Усоскина и его коллег из университета Оулу и Института Макса Планка (Катленбург-Линдау, Германия) "Тысячелетняя реконструкция числа солнечных пятен: свидетельство необычайной активности Солнца, начиная с 40-х годов ХХ века", которая сразу же была отмечена мировым научным сообществом. "Проведенные нами вычисления позволяют с высокой степенью достоверности утверждать, что наблюдаемая в течение последних 60 лет повышенная солнечная активность не имела исторических аналогов как минимум на протяжении 1150 лет (с 850 года н. э.)", - говорят авторы.

Иными словами, Усоскин и его коллеги примерно втрое увеличили временной интервал, для которого была накоплена заслуживающая доверия информация о видимых процессах на Солнце. Дело в том, что астрономы стали вести регулярные наблюдения за появляющимися на Солнце пятнами с 1610 года (практически сразу же после изобретения телескопа, которое приписывается голландскому оптику Хансу Липперсгею, создавшему первый прибор в 1608 году). Соответственно, имевшиеся в распоряжении астрофизиков ранее, до публикации новой работы, сведения о солнечной активности базировались на непрерывной серии непосредственных наблюдений последних четырех веков.

Конечно, попытки экстраполировать эти данные на более ранние времена предпринимались неоднократно - как построением различных вероятностных математических моделей, отталкивающихся от известной статистики, так и сопоставлением разрозненной информации о наблюдениях Солнца невооруженным глазом средневековыми любителями. Однако все эти экстраполяции не отличались особой научной глубиной ввиду очевидной статистической недостоверности данных.

С начала 90-х годов ХХ века стали развиваться альтернативные физические методы оценки числа солнечных пятен, основанные на отслеживании концентрации т. н. космогенных радиоактивных изотопов - отложений углерода-14 в древесных кольцах и бериллия-10 в ледовой толще Гренландии и Антарктики. Сторонники новых изотопных методик исходили из того, что между числом солнечных пятен и концентрацией этих изотопов предположительно существует линейная регрессионная зависимость.

Так было установлено, что концентрация содержащихся в ледовом керне изотопов бериллия-10 напрямую связана с динамикой галактического космического излучения - потока высокоэнергетических космических частиц, постоянно бомбардирующих атмосферу Земли (чем интенсивнее этот поток, тем выше атмосферная концентрация изотопов). Ученые пришли к выводу, что в периоды высокой активности Солнца его магнитное поле ощутимо снижает поток этих частиц, что, в свою очередь, приводит к падению концентрации бериллия-10.

Проделав ряд операций (анализ концентраций "ледовых изотопов", оценка интенсивности потока космического излучения, вычисление открытого магнитного потока Солнца), астрофизики смогли получить усредненное количество солнечных пятен. Как отмечают авторы работы, средняя погрешность полученных ими оценочных данных по числу солнечных пятен не превышает плюс-минус десяти в год. При этом данные для периодов средней и высокой солнечной активности обладают хорошей достоверностью, а оценки периодов низкой активности скорее всего несколько завышены вследствие сохранения остаточного уровня магнитной активности Солнца.

К каким же выводам пришли авторы исследования? Прежде всего их данные подтверждают предположения о "дотелескопических" пиках и спадах солнечной активности, содержавшиеся в ряде более ранних статистических исследований изотопов бериллия-10 и углерода-14. Достаточно четко выявлен период "средневекового максимума" (продолжительность его - примерно 150 лет, с 1100-го по 1250 год), определены временные отрезки нескольких "больших минимумов" солнечных пятен (например, минимум Вольфа - на протяжении большей части XIV века, минимум Шперера, длившийся с 1450-го по 1550 год).

"Пожалуй, самым впечатляющим результатом полученного графика солнечной активности можно считать подтверждение исторической уникальности резкого скачка образующихся пятен в течение второй половины XX века. В то время как среднегодовое число 'реконструированных' солнечных пятен за период с 850-го по 1900 год составило примерно 30, усредненные данные по прошлому столетию - 60, а по периоду с 1944 года - 76", - говорит Илья Усоскин.

Авторы статьи затрагивают больную тему - возможную связь между перепадами магнитной активности Солнца и изменениями климата на Земле. Исследователи приводят ряд исторических параллелей, которые, по их мнению, могут служить косвенным подтверждением существования такой связи. Одна из них довольно хорошо известна - схожесть понижательной динамики трендов солнечных пятен и земной температуры в период, непосредственно предшествующий началу ХХ века, и их последующий одновременный резкий скачок. Другие же зоны корреляции приходятся на более далекое прошлое и выявлены были только благодаря данной работе. Речь идет о совпадении уже упоминавшихся "больших минимумов" солнечной активности с холодными периодами на Земле, а "средневекового максимума" солнечных пятен, пришедшегося на XII-XIII века, с достоверно установленным палеоклиматологами периодом относительно высокой температуры, так называемым средневековым теплым периодом.