Российские исследователи получили новые данные об асимметрии магнитных полей Солнца

Ученые из Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН и факультета компьютерных наук ВШЭ показали, что асимметрия между глобальными внутренними движениями в северном и южном полушариях Солнца связана с аномалиями его магнитного поля. Исследование Елены Блантер и Михаила Шнирмана открывает новые аспекты значимости асимметрии магнитного поля Солнца для предсказания его аномальной активности. Статья опубликована в журнале Solar Physics.

Магнитное поле Солнца играет огромное влияние на человека: предсказание магнитных бурь важно для авиации, для защиты наземных технических систем, при полетах человека в космос и во время запусков научных и коммерческих спутников. Механизмы генерации магнитного поля Солнца до сих пор не являются до конца изученными в силу сложности процессов, происходящих внутри звезды и невозможности проведения прямых измерений.

Возникновение магнитного поля Солнца объясняется действием механизма динамо в зоне конвекции Солнца, где перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит путем активного перемешивания вещества. Зона конвекции составляет чуть меньше трети солнечного радиуса и расположена у поверхности Солнца, как схематично показано на рисунке 1. Над зоной конвекции находится солнечная корона, которую можно наблюдать во время солнечного затмения. Теория динамо является одним из способов объяснения 11-летних циклов солнечной магнитной активности, которые наблюдаются по изменениям количества и положения пятен на Солнце. Крупномасштабное меридиональное течение в конвективной зоне влияет на работу механизма динамо.

Меридиональный поток (глобальное движение внутри Солнца) можно представить себе в виде двух гигантских циркуляционных ячеек, в которых происходит вращение вещества, по одной в каждом полушарии. Вблизи поверхности Солнца движение направлено от экватора к полюсам, а в глубине зоны конвекции, наоборот, потоки плазмы возвращаются обратно к экватору. Как показывают исследования, на самом деле, меридиональный поток устроен намного сложнее — в частности, единое движение может складываться из ячеек меньшего размера, наподобие системы связанных шестеренок.

Для описания системы таких связанных между собой ячеек в физике Солнца в данной работе применяется модель Курамото, названная в честь японского ученого Йошики Курамото. Классическая модель описывает синхронизацию колебаний систем, состоящих из нескольких связанных ячеек: в каких условиях они могут рассматриваться как единое целое, а в каких — распадаются на независимые и не связанные друг с другом движения.

Ранее авторы статьи уже изучали крупномасштабную эволюцию меридиональных потоков в северном и южном полушарии Солнца при помощи системы двух связанных ячеек. В данной работе была рассмотрена уже система из четырех ячеек, которая более достоверно отражает сложную структуру меридионального потока Солнца.

Таким образом ученым удалось описать изменения интенсивности циркуляции плазмы в Солнце на различных широтах. Авторы смогли связать асимметрию магнитных полей, наблюдавшаяся в солнечных циклах 19-20 и 23-24, с асимметрией меридиональных потоков в северном и южном полушариях.

Фактически предполагалось, что каждая из ячеек может быть связана только с одной другой ячейкой. Таким образом, система из четырёх ячеек может представлять собой или структуру в виде цепи, или в виде кольца, как показано на рисунке 2. Решение уравнений Курамото и изучение параметров колебаний каждой из ячеек позволило определить, при каких условиях они действительно находятся в синхронизированном состоянии и участвуют в крупномасштабных переносах потоков плазмы как единое целое.

Исследование показывает, что асимметрия между меридиональными колебаниями в северном и южном полушариях Солнца проявляется на протяжении длительных промежутков времени и может быть связана с аномалиями магнитного поля Солнца.

По мнению ученых, в модели солнечного динамо роль меридионального потока в возникновении аномальной солнечной активности в настоящее время изучена недостаточно, и их пристальному изучению необходимо уделить больше внимания в будущих исследованиях.