Ученые выяснили, что колебания магнитного поля на полюсах Солнца подчиняются фундаментальному закону турбулентности, который еще в 1941 году открыл советский математик Андрей Колмогоров. Используя 50-летние прямые измерения магнитного поля с обсерватории имени Уилкокса (США) и продвинутый метод обработки данных — вейвлет-анализ, — они обнаружили, что энергия этих колебаний распределена по математическому закону с показателем, близким к –5/3, то есть распределяется между крупными и мелкими колебаниями по универсальному закону турбулентности. Авторы работы из Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и ИЗМИРАН считают, что это открытие позволяет по-новому проверить и усовершенствовать физические модели конвективной зоны Солнца — той самой области, где зарождается его магнитное поле. Статья опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-72-20067).
Солнечная активность, включая хорошо известный 11-летний цикл появления пятен, рождается в недрах звезды — в ее конвективной зоне. Это область толщиной около 200 тысяч километров, где раскаленная турбулентная плазма находится в непрерывном движении: горячие потоки поднимаются из глубины к поверхности, а остывшие опускаются обратно.
Именно это хаотичное движение генерирует магнитное поле Солнца, которое затем проявляется в виде пятен, вспышек и выбросов корональной массы. Заглянуть в конвективную зону напрямую невозможно ни с помощью телескопов, ни зондов — она непрозрачна для электромагнитного излучения. Поэтому сейчас изучают солнечную турбулентность лишь по косвенным признакам, в первую очередь — по статистике появления солнечных пятен, связанных с тороидальной компонентой магнитного поля (горизонтальные силовые линии, «опоясывающие» Солнце).
Однако ученые Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и ИЗМИРАН предложили обратиться к прямым измерениям магнитного поля вблизи полюсов Солнца — области, которая долгое время оставалась не изученной.
Для этого исследователи использовали уникальные данные, собранные с мая 1976 года на старейшем действующем телескопе-магнитографе обсерватории им. Уилкокса (США). Этот 50-летний массив информации охватил четыре с половиной солнечных цикла.
В отличие от привычных наблюдений за пятнами, здесь внимание сосредоточено именно на полюсах. А устройство Солнца таково, что именно в этом районе магнитное поле вырывается на поверхность в виде вертикальных лучей — это так называемая полоидальная компонента. Именно она задает магнитные полюсы звезды, которые меняются местами каждые 11 лет, словно перезагружая весь солнечный механизм.
Для анализа временных рядов (50 лет регулярных замеров через равные промежутки) ученые применили продвинутый математический метод — вейвлет-преобразование. Он позволяет, подобно разбору нотной грамоты, разделить колебания разных периодов и увидеть, как они меняются во времени.
В результате этого впервые в прямых наблюдениях магнитного поля Солнца ученые обнаружили степенной спектр в диапазоне масштабов почти два порядка. То есть они нашли математическую закономерность, которая охватила интервал от одного месяца до 6,5 лет.
Именно в этот промежуток индекс наклона спектра — показатель того, насколько быстро затухают колебания с ростом их частоты — оказался близок к знаменитому закону «-5/3», предложенному академиком Андреем Колмогоровым еще в 1941 году для описания развитой турбулентности.
«Полученные спектральные характеристики — это не просто подтверждение универсальности колмогоровской турбулентности. Теперь любая реалистичная компьютерная модель солнечного динамо должна воспроизводить не только 11-летний цикл, но и заполненный спектр колебаний с индексом, близким к –5/3», — пояснил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Родион Степанов, профессор кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ, ведущий научный сотрудник ИМСС УрО РАН, доктор физико-математических наук.
Понимание этого механизма — путь к точному прогнозированию поведения Солнца. Так как текущий 25-й цикл солнечной активности, который начался в 2019 году, оказался значительно мощнее, чем предсказывали модели на основе «предвестников» по значениям полярного поля в минимуме пятенной активности. Говоря иначе, ученые думали, что по тому, какое поле на полюсах в момент затишья (в минимуме солнечной активности, когда пятен почти нет), можно узнать, каким будет следующий цикл — но для нынешнего этот метод не сработал.
«Это значит, что модели необходимо совершенствовать, в том числе с помощью искусственного интеллекта. Наши результаты показывают, что изменчивость полярного поля имеет особую ценность для машинного обучения, так как содержит широкий спектр колебаний, связанных с нелинейными процессами в конвективной зоне», — добавил Родион Степанов.
В будущем проверить эти выводы помогут новые космические миссии: европейский Solar Orbiter, а также планируемые полярные обсерватории, включая китайскую SPO и российский проект «Интергелиозонд», которые предоставят еще более детальные данные о тонкой структуре магнитных полюсов Солнца.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
