Читать книгу "Небесные магниты. Природа и принципы космического магнетизма - Дмитрий Соколов"

Сложная структура минимума Маундера затрудняет его точную локализацию во времени: не всегда ясно, что именно нужно включить в его состав. Дополнительная сложность связана с тем, что самое начало этого минимума наблюдалось гораздо хуже, чем остальные его части.

В эпохи, близкие к минимуму Маундера, в метеорологических наблюдениях конца XVII – начала XVIII в. отмечается некоторое понижение температуры, по величине сопоставимое с потеплением последних десятилетий. Не исключена связь этого похолодания с минимумом Маундера, хотя убедительные доказательства этой связи обнаружить не удается.

В целом имеющиеся наблюдательные данные об этом минимуме оставляют ощущение неудовлетворенности, однако скорее стоит удивляться тому, что ученые этой далекой эпохи вообще оставили хоть какие-то данные, которые могут быть включены в арсенал современной науки. Изотопные данные о минимуме Маундера в целом поддерживают и развивают то, что известно из наблюдений солнечных пятен, однако не снимают отмеченные ограничения полностью. Феномен минимума Маундера не является единственным событием такого рода в истории солнечной активности. Подобные явления, видимо, неоднократно происходили и ранее.

Эпоха существенно пониженной солнечной активности во второй половине XV – первой половине XVI в., известная как минимум Шпёрера, определяется по аномально высокому содержанию радиоактивного изотопа углерода в древесных кольцах и льдах этого времени.

Минимум назван по имени немецкого астронома Густава Шпёрера, предшественника Маундера, который пытался сформировать представления о глобальных минимумах солнечной активности. Реальность минимума Шпёрера подтверждается тем, что в полярных льдах этого времени увеличивается содержание не только радиоактивного изотопа углерода, но и радиоактивного изотопа бериллия, а также до некоторой степени и собранными непрофессионалами архивными данными и не вызывает сомнений. Видимо, это явление аналогично минимуму Маундера, хотя имеющиеся данные не позволяют делать очень далеко идущие выводы о его природе.

Эпохи в истории солнечной активности протяженностью в несколько десятилетий, во время которых, по данным различных трассеров, фиксируется существенно пониженный уровень солнечной активности и существенно меньшая амплитуда цикла Швабе, случались и раньше. Они называются большими (или глобальными) минимумами солнечной активности. Они известны нам по изотопным данным.

В настоящее время происходит формирование претендующей на общепринятость реконструкции циклической солнечной активности за 10 000 лет. В этой шкале выделяются 20−30 эпох, сопоставимых с эпохой минимума Маундера и интерпретируемых как эпохи глобальных минимумов. Для ряда из них предложены собственные наименования. Часто упоминаются средневековый минимум, минимум Вольфа, минимум Оорта, минимум Гомера и т. д. Эти отметки на оси времени позволяют ориентироваться в значительном массиве данных, но к их физической интерпретации нужно относиться с осторожностью.

Насколько можно судить по ограниченной последовательности временных отметок, характеризующих глобальные минимумы, эта последовательность имеет непериодический и, можно сказать, случайный характер.

Кроме, собственно, глобальных минимумов известны и менее выраженные эпохи понижения активности Солнца. Минимум Дальтона случился в начале XIX в. (около 1805 г.). Это было время Наполеоновских войн, и астрономы не нашли возможности пронаблюдать его детально, что очень затрудняет его точную временную локализацию и прояснение того, что именно происходило тогда на Солнце. Это особенно обидно потому, что прямо сейчас в последовательности солнечных циклов снова случился перебой, чем-то похожий на минимум Дальтона. Видимо, такие минимумы время от времени встречались и в прошлом.

Распространено также мнение о том, что XX век характеризуется особенно большой амплитудой солнечного цикла, в связи с чем говорят о глобальном максимуме солнечной активности. Из-за трудности сопоставления телескопных данных недавнего прошлого с данными, полученными в более отдаленные эпохи, эта концепция имеет менее надежный статус, чем концепция глобальных минимумов.

Важно не только то, сколько солнечных пятен видно на Солнце и какова их площадь, но и то, как пятна расположены на Солнце. Этот вопрос тоже, конечно, изучен астрономами-солнечниками.

Расположение пятен описывается знаменитым правилом полярности Хейла. Оно сформулировано американским астрономом Джорджем Хейлом на основании первых наблюдений магнитных полей в солнечных пятнах. Понятие полярности вводится следующим образом. Из двух пятен, образующих группу, пятно, долгота которого в направлении вращения больше, называется ведущим. Для групп одной полярности магнитное поле в этом пятне выходит из-под поверхности Солнца, а для другой – входит под поверхность. Какую из этих полярностей считать положительной, а какую – отрицательной – вопрос соглашения.

Широтно-временная диаграмма (или баттерфляй-диаграмма, то есть диаграмма бабочек) – удобный метод представления солнечных пятен и других трассеров солнечной активности в виде точек на плоскости, на горизонтальной оси которой откладывается время наблюдения, а на вертикальной – солнечная широта. Введена в физику Солнца Эдвардом Уолтером Маундером и его женой Энни Маундер. На баттерфляй-диаграмме солнечный цикл Швабе выглядит как две волны активности, которые бегут навстречу друг другу от средних широт к солнечному экватору. Каждый цикл по каждому полушарию распространяется одна волна.

Согласно правилу полярности Хейла, одна из этих волн, распространяющаяся в северном полушарии Солнца, содержит группы солнечных пятен одной полярности, а другая, распространяющаяся в южном полушарии, – противоположной. В следующем цикле волны в обоих полушариях меняют полярности.

Другими словами, крупномасштабное магнитное поле Солнца антисимметрично по отношению к солнечному экватору. Такой тип симметрии называется дипольным. В частности, магнитное поле диполя имеет дипольную симметрию.

Важное дополнение к правилу полярности Хейла сформулировано американским астрономом Джоем в той же работе. В соответствии с правилом Джоя углы между отрезком, соединяющим ведущее пятно с ведомым и экватором, противоположны по знаку в северном и южном полушариях Солнца и растут по модулю с ростом солнечной широты. Эти углы принято называть тилт-углами.

Правила и Хейла, и Джоя выполнены не для всех групп солнечных пятен. Встречаются группы сложного строения, к которым такие правила не всегда легко применить. Однако есть группы, нарушающие одно из них или оба. Правило полярности Хейла выражено более четко, чем правило Джоя. Поэтому до недавнего времени правило Хейла было гораздо более известно. Прогресс наблюдательной техники последнего десятилетия сделал возможным тщательное изучение симметрии, выраженной правилом Джоя, и оно быстро входит в круг интересов физики Солнца.

Исключения из правила Хейла интересны и потому, что позволяют хотя бы грубо оценить, насколько велики мелкомасштабные флуктуации магнитного поля в глубине Солнца. Получается примерно такое же отношение флуктуаций к среднему магнитному полю, как и для магнитного поля в галактиках.