Солнечные циклы

Наблюдение за Солнцем велось с момента появления самого человека, однако с развитием технологий все более человечество приближалось к понимаю его природы. Возникновение телескопа в 17 веке повлекло за собой открытие солнечных пятен – совершенно неожиданного на тот момент явления, так как Солнце считалось неким идеалом, который не способен иметь какие-либо недостатки, особенно пятна. Несмотря на большие сомнения по поводу существования пятен на Солнце, один из первооткрывателей их – Галилео Галилей начал вести наблюдение за пятнами. Это привело к тому, что было обнаружена периодичное изменение их количества. Так наибольшее количество пятен наблюдалось примерно каждые 11 лет.

То есть в некоторый момент, когда количество пятен достигает максимального количества называется годом максимума пятен. Вслед за максимумом начинается уменьшение количества солнечных пятен, и в среднем через шесть лет можно наблюдать минимальное количество пятен. Далее их число снова начинает возрастать.

Чтобы вести счет солнечных циклов было принято, что максимум, наблюдаемый в 1761-м году является максимумом первого цикла Солнца.

Видимые изменения Солнца

В связи с циклами Солнца были замечены периодические изменения и других солнечных явлений. К таким относятся другие объекты, возникающие на Солнце – флоккулы, факелы и протуберанцы. Флоккулы – яркие и плотные волокнистые образования в одном из слоев Солнца – хромосфере. Факелы – яркие поля, которые обычно окружают солнечные пятна. Количество обоих этих наблюдаемых объектов меняется так же, как и количество пятен, и в те же годы достигает максимума и минимума.

Другим явлением, которое также имеет 11-летний период, являются протуберанцы – пучки солнечного вещества, которые поднимаются над поверхностью звезды и некоторое время находятся в таком положении посредством воздействия магнитного поля Солнца. Однако, в отличие от флоккул и факелов, наибольшее количество протуберанцев наблюдается не в годы максимума Солнца, а за 1-2 года до этого.

Еще одно явление, которое, как оказалось, изменяется с 11-летним периодом это форма солнечной короны – внешний слой Солнца, который можно частично наблюдать без специального инструментария, закрыв перед собой нашу звезду круглым предметом, например, монеткой. В годы максимума она имеет наибольшее развитие и ее многочисленные пучки лучей и струй расходятся во всех направлениях, образуя сияние примерно округлых очертаний. В годы минимума она оказывается состоящей только из двух ограниченных пучков, распространяющихся в плоскости экватора.

В связи с периодизацией наблюдаемых вышеупомянутых явлений, которые хоть и имеют одинаковый период, отличаются своими годами максимума/минимума, принято говорить не об одиннадцатилетнем периоде пятен, а об одиннадцатилетнем периоде солнечной активности. Под этим подразумевается как вся совокупность наблюдаемых на Солнце образований и явлений, так и неизвестная нам причина, заставляющая их периодически меняться.

Причина циклов Солнца

Несмотря на то, что солнечные явления несомненно изменяются периодично, 11 лет – это лишь среднее значение такого периода, который может расположиться в диапазоне от 7-ми до 17-ти лет.

Известно, что Солнце влияет не только на освещенность и температуру Земли, но также и на ее магнитное поле. Так иногда можно наблюдать неправильные, как бы случайные, колебания стрелки в ту или другую сторону. В разные дни они достигают разной величины. Бывают дни, когда амплитуда колебаний настолько значительна, что колебания можно наблюдать даже при помощи обычного компаса. Такие быстрые изменения земного магнетизма называются магнитными бурями. Энергия магнитных бурь изредка даже способна вызывать аварии в электрических сетях.

Если подсчитать число магнитных бурь за каждый год, а потом построить график, представляющий ход годвого числа бурь со временем, то получится кривая с максимумами, чередующимися через 11 лет. На данном графике I – амплитуды суточных колебаний склонения магнитной стрелки, II – амплитуды суточных колебаний горизонтальной составляющей магнитного поля, III – относительные числа солнечных пятен.

Таким образом, причина, вызывающая периодизацию солнечных пятен, также периодично влияет на изменение магнетизма Земли. Кроме того, было замечено, что магнитная буря случается чаще всего после того, как через середину видимого полушария Солнца проходи группа крупных и бурно развивающихся пятен.

Позже была заметна и 11-летняя периодичность количества полярных сияний, и некоторых других явлений, протекающих в атмосфере Земли. Примечательно, что указанные изменения на Земле запаздывают против соответствующих им явлений на Солнце примерно на 1-2 суток. Так как солнечный свет доходит до Земли за 8 минут, причина периодизации указанных явлений на Земле не связана с ним.

В связи с развитием технологий, в 1908-м году американский астроном Джордж Хейл обнаружил магнитное поле Солнца. Дальнейшее его изучение привело к тому, что именно магнитное поле нашей звезды, а также его изменения вызывают описанные выше явления.

Периодизация магнитного поля Солнца

Изучение связи магнитного поля Солнца с явлением солнечных пятен привело к следующему выводу: пятна возникают в результате «пронизывания» магнитными линиями верхних слоев Солнца. Дальнейшее изучение природы других солнечных явлений и образований также позволило обнаружить связь этих явлений и изменениями магнитного поля Солнца. Вскоре подробное изучение самого магнитного поля и его силовых линий привело к следующей картине его динамики.

В начале магнитного цикла Солнца, что есть серединой цикла солнечных пятен, имеется магнитное поле некоторой формы, силовые линии которого постепенно «наматываются» на поверхность нашей звезды вследствие того, что экваториальные области вращаются быстрее, нежели полярные. Со временем они «запутываются» и в некоторый момент начинают пронизывать поверхность Солнце во множестве точек, которые обычно расположены ближе к экватору. Именно в этот момент наблюдается максимальное количество солнечных пятен, причем подавляющее большинство которых располагается ближе к экватору. Таким образом пятна образуются вследствие пронизывания магнитными линиями верхних слоев Солнца.

Далее часть магнитного поля как бы отрывается и отбрасывается от Солнца, увлекая за собой часть звездного вещества, которую составляют в основном заряженные частицы. Этот поток заряженных частиц и называется солнечным ветром, который в дальнейшем влечет изменения природных явлений на Земле. После «отрыва» от магнитного поля некоторой его части, происходит так называемая смена направления азимутального поля, то есть магнитное поле как «переворачивается». Это является концом 11-летнего цикла магнитного поля Солнца и серединой цикла солнечных пятен. Таким образом, полный солнечный цикл составляет около 22-х лет, по истечению которых магнитное поле Солнца возвращается к исходному положению.

Согласно модели, называющейся Солнечное динамо, наша звезда самостоятельно генерирует магнитное поле в результате осесимметричного вращения ее различных слоев, которые представлены в виде плазмы, по определению имеющей заряд.

Другие солнечные циклы

Помимо 11-тилетнего и 22-хлетнего солнечных циклов наблюдаются и другие периодичные изменения солнечной активности. Так, например, солнечные максимумы и минимумы также демонстрируют колебания в масштабах века, что называется «цикл Гляйсберга» и имеет период 70 — 100 лет. Существует также двухсотлетний солнечный цикл («цикл Зюсса» или «цикл де Врие»), минимум которого называется «глобальным» и определяется как заметное снижение солнечной активности в течении десятков лет раз в два века.

Примечательно, что во время «глобальных минимумов» наблюдается не только уменьшение количества солнечных пятен, но также и значительные похолодания на Земле. Наиболее известным таким периодом является минимум Маундера (1645—1715), во время которого длился так называемый «малый ледниковый период». Однозначная взаимосвязь этих явлений не обнаружена, однако наблюдается совпадение (корреляция) вековых солнечных циклов с изменениями температуры на Земле. Причины самих вековых циклов Солнца также явно не определены. Вполне вероятно, что эти циклы вызваны не природой звезды, а динамикой неких внешних объектов, например, вращением крупного звездного скопления в центре Млечного Пути.