Раскрыта тайна солнечного цикла: в зоне конвекции звезды плазменные токи совершают огромный оборот, который длится около 22 лет

Группе ученых из Института исследования солнечной системы Макса Планка, Геттингенского университета и Нью-Йоркского университета Абу-Даби удалось составить наиболее полную картину плазменных потоков в направлении север-юг на сегодняшний день. Исследователи обнаружили удивительно простую геометрию потока: плазма описывает один оборот в каждом полушарии Солнца, который длится около 22 лет. Кроме того, поток в направлении экватора в нижней части конвективной зоны вызывает образование пятен все ближе и ближе к экватору во время солнечного цикла.

Количество пятен на видимой поверхности Солнца варьируется; иногда их больше, иногда меньше. Расстояние между двумя максимумами солнечных пятен составляет около одиннадцати лет, через 22 года пятна снова магнитно поляризованы таким же образом. В период максимума появляются не только крупные пятна, но и активные области. Вдобавок впечатляющие дуги горячей плазмы уходят далеко в солнечную атмосферу, частицы и радиация выбрасываются в космос в виде сильных извержений.

Однако на минимуме активности солнце заметно успокаивается.
«В течение солнечного цикла меридиональный поток действует как конвейерная лента, которая увлекает магнитное поле и задает период солнечного цикла», – говорит профессор.

Доктор. Лоран Гизон, директор MPS и первый автор нового исследования. «Наблюдение за геометрией и амплитудой движений в недрах Солнца имеет важное значение для понимания магнитного поля Солнца», – добавляет он.

С этой целью Гизон и его команда использовали гелиосейсмологию для составления карты потока плазмы под поверхностью Солнца.
Гелиосейсмология для физики Солнца то же, что сейсмология для геофизики. Гелиосейсмологи используют звуковые волны для исследования недр Солнца, во многом так же, как геофизики используют землетрясения для исследования недр Земли.

Солнечные звуковые волны имеют период около пяти минут и непрерывно возбуждаются приповерхностной конвекцией. Движение, связанное с солнечными звуковыми волнами, можно измерить на поверхности Солнца с помощью телескопов на космических аппаратах или на земле.

В этом исследовании Гизон и его команда использовали наблюдения за звуковыми волнами на поверхности, которые распространяются в направлении север-юг через солнечные недра. Эти волны возмущены меридиональным потоком: они движутся вдоль потока быстрее, чем против потока. Эти очень небольшие возмущения времени пробега (менее 1 секунды) были очень тщательно измерены и интерпретированы для вывода меридионального потока с использованием математического моделирования и компьютеров.

Поскольку меридиональный поток небольшой, его очень трудно увидеть в недрах Солнца. «Меридиональный поток намного медленнее, чем другие компоненты движения, такие как дифференциальное вращение Солнца», – объясняет Гизон. Меридиональный поток в зоне конвекции не превышает его максимальное значение на поверхности 50 километров в час. «Чтобы снизить уровень шума при гелиосейсмических измерениях, необходимо усреднять результаты измерений за очень длительные периоды времени», – говорит д-р.

Чжи-Чао Лян из МПС.
Команда ученых впервые проанализировала два независимых очень длинных временных ряда данных.

Один был предоставлен SOHO, старейшей солнечной обсерваторией в космосе, которая находится в ведении ЕКА и НАСА. Данные, полученные с помощью доплеровского тепловизора Майкельсона (MDI) SOHO, охватывают период с 1996 по 2011 год.

Второй независимый набор данных был предоставлен группой Global Oscillation Network Group (GONG), которая объединяет шесть наземных солнечных телескопов в США, Австралии, Индии, Испании и Чили, чтобы предлагать почти непрерывные наблюдения Солнца с 1995 года.
«Международное сообщество физиков Солнца заслуживает похвалы за предоставление множества наборов данных, охватывающих последние два солнечных цикла», – говорит д-р. Джон Лейбахер, бывший директор проекта GONG. «Это позволяет производить усреднение за длительные периоды времени и сравнивать ответы, что абсолютно необходимо для подтверждения выводов», – добавляет он.
Гизон и его команда обнаружили, что поток направлен к экватору в основании конвективной зоны со скоростью всего 15 километров в час (скорость движения).

Поток у поверхности Солнца направлен к полюсу и достигает 50 километров в час. Общая картина такова, что плазма движется по одной гигантской петле в каждом полушарии. Примечательно, что время, необходимое плазме для завершения цикла, составляет примерно 22 года – и это обеспечивает физическое объяснение одиннадцатилетнего цикла Солнца.
Кроме того, солнечные пятна появляются ближе к экватору по мере развития солнечного цикла, как это видно на диаграмме «бабочка». «В целом, наше исследование поддерживает основную идею о том, что дрейф к экватору мест, где появляются солнечные пятна, происходит из-за лежащих в основе меридиональных потоков», – говорит доктор.

Роберт Кэмерон из MPS. «Остается понять, почему солнечный меридиональный поток выглядит так, как он есть, и какую роль меридиональный поток играет в управлении магнитной активностью на других звездах», – добавляет Лоран Гизон.