Самые сильные солнечные бури заканчиваются внезапно 

Фото из открытых источников

Исследователи обнаружили, что самые мощные солнечные бури не затухают постепенно в конце каждого 11-летнего солнечного цикла. Они прекращаются практически мгновенно, в момент, который можно использовать для прогнозирования следующего цикла.

Анализ этого момента позволяет синоптикам примерно за семь лет предсказать, насколько бурной будет следующая солнечная активность. Первая попытка относит 26-й солнечный цикл к умеренной, не более интенсивной, чем цикл, который сейчас завершается.

Два солнечных цикла никогда не бывают одинаковыми. Они бывают длинными или короткими, интенсивными или умеренными, и астрономы веками подсчитывали солнечные пятна, так и не найдя надежного способа предсказать, что принесет следующий цикл.

Сандра Чепмен, профессор физики в Уорикском университете и директор его Центра термоядерного синтеза, космоса и астрофизики, отправилась на поиски порядка, скрытого внутри всего этого многообразия. Ее ответом стали солнечные часы. Они берут каждый зарегистрированный цикл, независимо от его реальной длины, и растягивают или сжимают его на одном 11-летнем циферблате, так что каждый цикл можно наложить на каждый другой. При таком способе построения графика вся путаница разрешается.

С 1868 года приборы непрерывно отслеживают возмущения магнитного поля Земли, и самые сильные эпизоды за этот период попадают в одну и ту же дугу циферблата часов, цикл за циклом. Эта закономерность сохраняется на протяжении 14 солнечных циклов. Она была описана в статье 2020 года.

Чэпмен, возглавлявшая исследование, поясняла, что часы не только упорядочивают данные, но и позволяют получить информацию о предстоящем цикле, поскольку длительный спад в рамках цикла уже содержит сведения о будущем цикле.

«Мы создали регулярные часы для нерегулярного солнечного цикла, которые могут точно определить, когда в фазе спада (выключения) нам следует наблюдать за зачатками следующего цикла», - сказала она.

Более новые результаты касаются того, что происходит на дальнем конце этой дуги. Экстремальные космические погодные явления не исчезают по мере того, как Солнце успокаивается. Они прекращаются. Эти перемены происходят постепенно, а не плавно, в годы, когда самый активный период солнечной активности сменяется самым спокойным.

«По мере перехода от солнечного максимума к солнечному минимуму, кажется, происходит резкий переход от более активного Солнца, когда мы наблюдаем самые экстремальные явления космической погоды на Земле, к более спокойному Солнцу, где космическая погода тоже наблюдается, но в более умеренной степени», - пояснила Чепмен.

Исследование 2024 года показало, насколько чистым является этот участок. За более чем 150 лет наблюдений только один шторм самой сильной категории обрушился на этот спокойный участок. Это произошло в 1986 году. Это выключение также совпадает с чем-то видимым на самом Солнце. Группы солнечных пятен появляются на средних широтах в начале цикла, а затем неуклонно смещаются к солнечному экватору в последующие годы. Разрыв наступает, когда более 90% пятен на Солнце сжимаются в полосу примерно в 15 градусах от экватора.

Эта полоса ведет себя иначе, чем остальные звезды. Наше Солнце не вращается как твердый шар, и разница в скорости между одной широтой и другой делает его магнитное поле все более и более плотным. Вблизи экватора эта разница практически исчезает, изменяясь всего примерно на 13% на этих низких широтах.

По мнению Чепмен, эта извилистая структура приводит в движение крупнейшие корональные выбросы массы — миллиардные облака намагниченного газа, прибытие которых к Земле вызывает самые сильные бури. Как только пятна заходят в зону затишья, двигателю больше нечего крутить. Чепмен осторожно называет это открытым вопросом и одной из многих идей, поскольку связь устанавливается скорее на основе времени, чем непосредственного наблюдения за процессом.

Она сопоставила это с бурями, которые всё ещё случаются после этого. Эти более слабые явления повторяются каждые 27 дней, за время, необходимое Солнцу для одного оборота вокруг своей оси. Такой ритм вполне ожидаем от постоянного потока быстрого солнечного ветра, проносящегося мимо Земли с каждым оборотом, а не от внезапного извержения.

До сих пор солнечные часы описывали поведение Солнца. Новая работа переводит это в число. Команда Чепмен сравнила количество солнечных пятен в момент выключения каждого цикла с пиковым значением в следующем цикле и обнаружила, что эти два показателя тесно связаны. Поскольку выключение приходится на более спокойную вторую половину цикла, эти данные доступны за шесть-семь лет до следующего пика. Конкурирующие методы предполагают ожидание, пока Солнце не достигнет своего минимума, что происходит позже.

В начале 1980-х годов синоптики заметили, что магнитные возмущения на Земле в спокойные годы цикла могут предсказывать величину предстоящего цикла. Никто не мог объяснить, почему. Смена магнитных возмущений дает объяснение этому явлению и фиксирует показания в определенный момент времени, а не в расплывчатом диапазоне лет.

Этот подход также имеет подтвержденную историю успеха. Команда Чепмен утверждает, что предсказала, что 25-й цикл будет сильнее, чем допускало большинство прогнозов, включая консенсус Центра прогнозирования космической погоды NOAA (SWPC), который оценил пик в 115 солнечных пятен. Этот цикл превысил планку, достигнув пика около 160 в конце 2024 года и подарив полярные сияния, которые простирались далеко на юг Соединенных Штатов.

Чепмен представила свой прогноз 20 июля 2026 года на Национальной астрономической конференции в Бирмингеме, Англия, ежегодной конференции Королевского астрономического общества.

25-й цикл еще не завершился, поэтому текущая цифра основана на оценке того, когда именно это произойдет. Чепман считает, что это случится примерно через два года. Предварительные данные по 26-му солнечному циклу указывают на пик активности примерно в 100-120 солнечных пятен, что делает его умеренным, не более интенсивным, чем цикл, который сейчас угасает. Возможны и более слабые, и более интенсивные результаты.

«Как только мы переведем систему в режим ожидания, я смогу пересчитать свои данные, чтобы получить гораздо более точную оценку для 26-го цикла, поскольку мне не понадобятся прогнозы с большой неопределенностью», - пояснила Чепмен.

Здесь на кону не теория. Штормы с 10 по 13 мая 2024 года были самыми мощными, достигшими Земли за более чем два десятилетия, и они обрушились на небо, гораздо более насыщенное техникой, чем в прошлый раз, когда произошло нечто подобное.

Анализ этого события показал, что верхние слои атмосферы раздулись и начали тянуть за собой спутники на низкой околоземной орбите. Многие космические аппараты одновременно включили двигатели, чтобы удержаться на месте, поэтому расчеты, предупреждающие о возможных столкновениях, пришлось начинать с нуля. В ходе той же работы выяснилось, что сила и продолжительность шторма были плохо спрогнозированы даже за сутки вперед.

Знание силы цикла не предскажет ни один отдельный шторм. Оно лишь подскажет операторам спутников и инженерам энергосетей, сколько раз Солнце будет подвергаться воздействию солнечных волн в течение десятилетия, на которое они планируют свою работу, и предскажет это на несколько лет раньше, чем раньше.

«Такая долгосрочная информация полезна для планирования работы спутников, особенно на низкой околоземной орбите (НОО)», - отмечает Чепмен.

Более активное солнечное излучение раздувает разреженный воздух, сквозь который пролетают эти спутники, поэтому они быстрее опускаются. Чепмен сказала, что космический аппарат, сошедший с орбиты раньше запланированного срока, может привести к тому, что оператору придется оплачивать повторный запуск, чтобы сохранить зону покрытия.

Новым является то, что опасная половина солнечного цикла имеет определенный конец, который определяется не количеством пятен, а их расположением.

Подсчет, произведенный в этот момент, отслеживает размер следующего цикла. Он также отмечает стадию, когда начинает действовать магнитное поле, приводящее в действие следующий цикл, что дает теоретикам фиксированную контрольную точку для проверки моделей двигателя внутри Солнца.