Солнечная активность за последние 20 лет и ее прогноз на 25-й солнечный цикл

Abstract

Экспериментальные данные о солнечной активности (числе солнечных пятен R_z, индукции полоидального магнитного поля Солнца в полярных шапках B_п и другие), характеристики межпланетной среды и потоки космических лучей свидетельствуют о том, что Солнце вступило в глубокий минимум своей активности, подобный минимуму Дальтона.

Обнаружена почти функциональная связь максимальной величины B_пмах, наблюдаемой в минимумах солнечной активности, с предстоящим максимумом солнечных пятен. На основе этой связи разработан метод прогнозирования максимального числа солнечных пятен R_zmax и временного хода значений R_z в текущем (в настоящее время 25-ом) цикле солнечной активности.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что в прошлом в некоторые периоды времени солнечная активность (число солнечных пятен R_z) существенно уменьшалась, иногда пятен на солнечном диске совсем не было [1]. Длительность таких периодов (английское выражение для них – grand minima) составлялo от 3 до 7 одиннадцатилетних солнечных циклов (СЦ). На рис. 1 приведены среднегодовые значения R_z с 1000 г. по настоящее время (https://www.sidc.be/silso/datafiles)[2, 3].

Рис. 1. Среднегодовые значения R_z, с 1000 г. по настоящее время [2, 3]. Буквами обозначены глубокие минимумы солнечной активности [1]: O – минимум Оорта (1130–1180 гг.), W – минимум Вольфа (1415–1549 гг.), S – минимум Шперера (1415–1540 гг.), M – минимум Маундера (1645–1715 гг.), D – минимум Дальтона (1790–1830 гг.). New – современный минимум солнечной активности (2007–настоящее время).

Ранее одним из авторов настоящей работы (В. П. Охлопковым) было рассчитано расстояние r между центром масс солнечной системы и центром Солнца в зависимости от времени (рис. 2) [4]. Оказалось, что все продолжительные минимумы солнечной активности происходили в периоды, когда это расстояние r было равно или больше двух солнечных радиусов [4].

Рис. 2. Расстояние от центра масс Солнечной системы до центра Солнца в зависимости от времени (расчет [4]). Горизонтальная линия наверху проведена для значения солнечного радиуса r = 2. Буквы наверху обозначают глубокие минимумы солнечной активности, наблюдавшиеся в прошлом (см. подпись к рис. 1). New – современный глубокий минимум солнечной активности [1].

Исключение составил минимум Оорта, произошедший в период с 1000 по 1050 гг. [1]. Согласно сделанным расчетам величина r была больше двух солнечных радиусов в 1130–1180 гг. [4] Возможно, что это расхождение связано с тем, что восстановленное число солнечных пятен ~1000-летней давности имеет большие неточности.

В работе [4] было спрогнозировано, что новый глубокий минимум солнечной активности должен наступить в начале этого тысячелетия, а следующий за ним – в период 1170~2200 гг. [4]. Это также показано на рис. 2. В настоящее время наблюдается глубокий минимум солнечной активности [4].

Придерживаемся точки зрения, что временное совпадение глубоких минимумов солнечной активности с максимальным удалением центра масс солнечной системы от центра Солнца не является случайным. Возможно, это свидетельствует о влиянии гравитационных полей планет на солнечную активность.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ, СВИДЕТЕЛЬСТВУЮЩИЕ О СОВРЕМЕННОМ ГЛУБОКОМ МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Все глубокие минимумы солнечной активности в прошлом характеризовались значительным уменьшением числа солнечных пятен R_zmax в максимуме 11-летнего СЦ (рис. 1) [1]. Не является исключением и настоящий глубокий минимум солнечной активности. В 23-м СЦ (последним перед глубоким минимумом) среднегодовое максимальное число солнечных пятен было равно R_zmax ≈ 250 (2002 г.). В 24-м СЦ (начало современного глубокого минимума) R_zmax = 135, т. е. количество уменьшилось почти в два раза. Ожидается, что 25-й СЦ будет иметь примерно такую же или меньшую величину R_zmax.

Существенно, что с началом нового глубокого минимума активности Солнца в 24-м СЦ (2009–2018 гг.) по сравнению с 23-м циклом (1997–2009 гг.) почти в два раза уменьшилось суммарное число солнечных вспышек С-М-Х классов (https://www.spaceweatherlive.com/ru/solnechnaya-aktivnost/solnechnyy-cikl.htm). В текущем 25-м СЦ (2019 – настоящее время) также наблюдается малое количество солнечных вспышек, несмотря на то, что солнечная активность практически достигла своего максимума. В 24-м СЦ по сравнению с 23-м циклом в 1.5 раза уменьшилось число магнитных бурь (https://www.spaceweather.com).

На сайте https://www.spaceweather.com приводятся ежедневные данные о параметрах межпланетной среды с 2000 г. по настоящее время. Анализ этих данных, таких как индукция межпланетного магнитного поля, скорость солнечного ветра показывает, что их значения в 24-м и 25-м СЦ уменьшились по сравнению с данными 23-го СЦ. Это также поддерживает предположение о глубоком минимуме в солнечной активности в начале нового тысячелетия.

Как будет видно из дальнейшего, особую роль в развитии 11-летнего СЦ играет индукция солнечного полярного магнитного поля B_п (http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif). В течение 22-летнего солнечного магнитного цикла эта величина меняется в интервале примерно (–2, +2) Гс и имеет нулевое значение во время инверсии магнитного поля (http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif) [5]. Согласно наблюдениям и модели Х. Бэбкока [5], в периоды минимумов солнечной активности в 11-летних СЦ солнечное полярное магнитное поле имеет полоидальную структуру, которая трансформируется в тороидальную за счет дифференциального вращения солнечной фотосферы [5].

В минимумах 24-го и 25-го циклов солнечной активности имело место уменьшение величины индукции солнечного полярного поля B_п по сравнению с предыдущими 21–23 циклами (http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif). Это также поддерживает вывод об уменьшении общего уровня солнечной активности. Заметим, что на Солнце, как правило, измеряется составляющая магнитного поля по лучу зрения.

Подтверждением присутствия глубокого минимума активности Солнца в настоящее время служат данные о космических лучах. Поток космических лучей регистрируется на Земле или в космосе. Чем ниже солнечная активность, тем меньше возмущенность гелиосферы, тем больше поток космических лучей. На рис. 3 показан временной ход потока вторичных частиц, зарегистрированных в атмосфере. Этот поток образован космическими лучами, падавшими на границу атмосферы и имевшими энергию Е = (200…1500) МэВ. Видно, что в минимумах 24-го и 25-го СЦ потоки космических лучей были аномально высокими по сравнению с потоками, наблюдавшимися в минимумах солнечной активности более ранних циклов. Это также свидетельствует о низкой солнечной активности и слабой возмущенности гелиосферы в текущем столетии [6, 7].

Рис. 3. Временной ход среднемесячных значений потоков вторичных заряженных частиц, образованных космическими лучами в атмосфере. Энергии космических частиц находились в интервале 200…1500 МэВ. Наверху указаны номера 11-летних солнечных циклов. A > 0 и A < 0 обозначают положительную и отрицательную фазы 22-летних солнечных магнитных циклов. Горизонтальная пунктирная линия показывает максимальный поток космических лучей, который был зарегистрирован ранее в минимуме солнечной активности 20-го солнечного цикла в 1965 г.

Полученные за последние десятилетия экспериментальные данные о солнечной активности и характеристиках гелиосферы (межпланетной среды) показывают, что Солнце вступило в период своей низкой активности. Такая низкая активность Солнца может продолжаться несколько солнечных циклов [8, 9].

СВЯЗЬ ИНДУКЦИИ СОЛНЕЧНОГО ПОЛЯРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ B_П С МАКСИМУМОМ ЧИСЛА СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН R_ZMAX

Если данные о числе солнечных пятен R_z, относящиеся к 25-му СЦ сдвинуть по времени на 11.2 года назад, их временные зависимости практически совпадут с данными 24-го СЦ. Коэффициент корреляции составляет примерно единицу. Полагаем, что такое совпадение не случайно, и существует параметр (параметры) солнечной активности, управляющий 11-летним СЦ. Таким параметром является максимальная индукция солнечного полярного магнитного поля B_пmax. Максимальные значения этого поля наблюдаются в периоды минимумов солнечной активности (http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif). Предположим, что B_пmax определяет максимальное число солнечных пятен R_zmах в 11-летнем цикле солнечной активности. Имеющиеся экспериментальные данные о R_zmах и B_пmax, взятые с сайтов центов данных (https://www.sidc.be/silso/datafiles, http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif), подтверждают это предположение.

На рис. 4 представлена зависимость R_zмах от B_пmax. Максимальные значения числа солнечных пятен в 11-летних СЦ были взяты с сайта Центра анализа данных о влиянии Солнца (https://www.sidc.be/silso/datafiles), а максимальные значения индукции солнечного полярного магнитного поля B_пmах – с сайта службы (http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif). Полоидальное полярное магнитное поле Солнца преобразуется в тороидальное дифференциальным вращением солнечного вещества [5]. Солнечные пятна возникают из тороидального магнитного поля [5].

Рис. 4. Зависимость максимального значения числа солнечных пятен в 11-летнем СЦ, R_zmах, от максимального значения индукции солнечного полярного магнитного поля Bпmах. Значения R_zмах являются среднемесячными. Величины B_пmаx получены в минимумах СЦ, а Rzмаx получены в максимумах тех же циклов. Прямая описывает связь между R_zмах и B_пmах: R_zмах = 180.5·B_пmax, где B_пmax, дано в Гауссах. Квадрат – ожидаемое значение R_zмах в 25-м СЦ.

Тогда, согласно работе [5], если полоидальное магнитное поле B_п = 0, то тороидальное поле тоже равно нулю, и число солнечных пятен R_z = 0, так как солнечные пятна образуются из магнитных трубок тороидального магнитного поля [5].

ПРОГНОЗ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ. ПРОГНОЗ 25-ГО СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА

По максимальному значению B_пmах можно найти максимальное число солнечных пятен 11-летнего CЦ, которое будет наблюдаться в этом цикле через пять лет (см. подпись к рис. 4).

Прогнозу 25-го солнечного цикла посвящено много работ [8–10]. Ниже изложен простой метод определения максимального числа солнечных пятен текущего цикла и их временного хода.

По величине максимальной индукции солнечного полярного магнитного поля B_пмах, которая наблюдается в минимуме 11-летнего цикла солнечной активности, можно найти временной ход числа солнечных пятен анализируемого цикла. Для этого используем метод сравнения рассматриваемого цикла с другими солнечными циклами в прошлом.

Сначала найдем R_zмах, по соотношению R_zмах = 180.5·B_пmax. Выберем из 24 прошлых солнечных циклов такой, в котором R_zмах совпадает с рассчитанной величиной [3]. Выбранный и анализируемый циклы должны иметь одну и ту же фазу 22-летнего солнечного магнитного цикла. Фаза определяется следующим образом. Фаза в 22-летнем солнечном магнитном цикле меняется в период инверсии солнечного полярного магнитного поля, которая происходит в максимуме солнечной активности (или вблизи максимума). Рассмотрим интервал времени (~11 лет) между двумя инверсиями. В этом временном интервале происходит переход от одного 11-летнего цикла солнечной активности к другому. Если происходит переход от четного цикла к нечетному, то фаза положительная. Если происходит переход от нечетного цикла к четному, то фаза отрицательная. На рис. 5 в качестве примера сопоставлены 18-й и 22-й СЦ. Оба цикла имеют одно и то же максимальное число солнечных пятен R_zmax и одну и ту же положительную фазу солнечного магнитного цикла. Временные зависимости R_i(t) в этих циклах практически совпадают.

Рис. 5. Временные зависимости среднемесячных значений чисел солнечных пятен R_z(t) в 22-м (точки) и 18-м (треугольники) СЦ. Величины R_z были сглажены по пятимесячным данным. Оба ряда данных были совмещены по времени: май 1986 г. (22-й СЦ) был совмещен с февралем 1944 г. (18-й СЦ).

В 25-м СЦ величина B_пмах, равна 0.7 Гс (http://wso.stanford.edu/gifs/Polar.gif), тогда ожидаемое значение R_zмах = 140. Такое же значение R_zмах имеет 7-й солнечный цикл. Оба цикла имеют положительную фазу. Совместим минимумы 7-го и 25-го солнечных циклов. Результат показан на рис. 6.

Рис. 6. Временной ход среднемесячных значений числа солнечных пятен R_z в 24-м и 25-м СЦ. Величины R_z сглажены по пяти месяцам. Пунктирная кривая – прогноз по 7-му циклу солнечной активности. В 7-м СЦ октябрь 1882 г. соответствует марту 2020 г. (25-й СЦ).

ВЫВОДЫ

Экспериментальные данные о солнечной активности и параметрам гелиосферы дают основание утверждать, что Солнце вступило в глубокий минимум своей активности, который будет продолжаться в 25-м и, возможно, в 26-м солнечных циклах.

Максимальная величина индукции солнечного полярного магнитного поля B_пмах, наблюдаемая в минимумах солнечных циклов, определяет максимум числа солнечных пятен R_zмах текущего солнечного цикла.

Найдена почти функциональная связь между индукцией солнечного полярного магнитного поля в минимуме 11-летнего солнечного цикла и максимальным числом солнечным пятен, который будет наблюдаться через пять лет после минимума солнечной активности.

Предложен простой метод прогноза солнечной активности текущего солнечного цикла.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.