Прогнозируем солнечный цикл

В феврале 2019 года уровень коротковолнового излучения Солнца, который последние месяцы и так находился на рекордно низком уровне, уменьшился еще примерно в 100 раз и упал ниже порога чувствительности приборов — на графиках солнечной активности, отражающих данные из космоса в режиме реального времени, вместо обычной зубчатой линии зафиксирована почти ровная прямая. О том, что это означает и как связано с ожиданием нового цикла солнечной активности, рассказывает сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, доктор физико-математических наук Сергей Богачев.

Декабрь 2018 и январь 2019 года должны были разделить не только прошедший и наступивший календарный год. По некоторым прогнозам, именно по этим месяцам должен был пройти раздел между 24-м и 25-м циклами солнечной активности. Уже сейчас можно говорить, что этого не произошло.

Прошедший 24-й цикл «умирает, но не сдается», периодически напоминая о себе отдельными солнечными пятнами и активными областями. Новый же цикл тоже время от времени показывает, что он где-то рядом (еще в конце прошлого года на Солнце были зарегистрированы магнитные поля новой полярности), но, в целом, вступать в силу не хочет.

В результате Солнце все глубже уходит в состояние минимума активности и уже провалилось под порог чувствительности солнечных космических мониторов. Вот уже больше двух недель на графиках солнечной активности, поступающих с аппаратов НАСА GOES, рисуется прямая линия. Такая ситуация может быть поводом порассуждать, насколько вообще благодарное дело — прогноз солнечного цикла, и есть ли смысл вообще заглядывать в будущее или лучше просто смириться решения самого солнца.

Сразу скажем, прогнозирование солнечного цикла — одна из самых популярных тем, особенно широко привлекающая астрономов-любителей. Действительно, это тематика, для которой не требуется специальных знаний. Есть канонический ряд солнечной активности, измеряемый с 1749 года и доступный в цифрах, например, на сайте Королевской обсерватории Бельгии. Остается только взять и найти в нем закономерности, которые затем экстраполировать в будущее.

Ничего плохого в таком занятии нет, это вполне корректная научная задача. Надо лишь понимать, что в силу простоты этой задачи за нее уже бралось огромное количество людей. И решить ее не удалось.

Проблема в том, что солнечный цикл очень уж нестабилен. Да, он меняется со средним шагом около 11 лет. Однако отдельные циклы могут иметь продолжительность 9 лет (как, например, цикл № 2, продолжавшийся с июня 1766 до июня 1775 года). Другие же могут длиться более 12 лет. Рекордным в этом смысле является цикл № 6, наблюдавшийся с августа 1810 по май 1816 года.

Различаются солнечные циклы и по высоте. Самыми «низкими» были циклы 5 и 6 (с апреля 1798 по май 1823 года). Индекс числа пятен (используется для сравнения циклов друг с другом) в максимуме тогда составил 82. Для сравнения, в максимуме 19-го цикла, который продолжался с апреля 1954 по октябрь 1964 года и является самым сильным из наблюдавшихся, индекс числа пятен в максимуме был 285, то есть в 3,5 раза больше.

Можно ли найти закономерности в этих отклонениях? Наверное, можно, если бы мы начали наблюдать Солнце не 400, а несколько тысяч лет назад и накопили бы данные по сотням циклов. Но пока у нас есть только 24 точки, и, конечно, серьезную статистику из них не получишь. Какие-то закономерности, однако, можно выловить и из них, и некоторые видны невооруженным глазом.

Если присмотреться к каноническому ряду пятен, трудно отделаться от ощущения, что он модулируется каким-то более продолжительным периодом продолжительностью около 100 лет — именно с таким интервалом распределены особенно крупные максимумы. Такой период активности, действительно, есть и называется периодом Швабе (по имени астронома-любителя, впервые обнаружившего 11-летний цикл). Продолжительность цикла Швабе составляет 75-100 лет (среднее значение обычно полагают равным 87).

Чтобы получить представление о более продолжительных циклах, прямых наблюдений Солнца уже недостаточно. Один из способов раздобыть такие данные — так называемая научная археология, основанная, в частности, на изучении исторического распределения радиоактивного углерода ¹⁴C.

Углерод этот распадается с периодом 5700 лет и должен все время чем-то производиться. Производится он Солнцем, точнее, приходящими от солнечных вспышек нейтронами. Достигая атмосферы Земли, они бомбардируют атомы азота ¹⁴N, выбивают из их ядра протон и встают на его место. Получается элемент с той же массой 14, но с зарядом ядра ниже на 1. Это как раз ¹⁴C.

Так как углерод ¹⁴C радиоактивен, то он достаточно легко обнаруживается в антарктических льдах или срезах деревьев. Остается лишь пересчитать его обилие в уровень солнечной активности. Так получаются полугипотетические солнечные циклы. Самый короткий из них — 210 лет, иногда (правда, очень редко) называемый циклом Зюсса. Некоторые его признаки можно найти и в каноническом ряде из 24 циклов.

Более длинным является двухтысячелетний цикл, продолжительность которого равна 2300 лет. Очень неуверенно различается следующая огибающая, равная примерно 10 тысячам лет. Дальше же начинается область «научной фантастики», в которой можно встретить самые разнообразные теории, вплоть до гигантских циклов от сотен тысяч до сотен миллионов лет, коррелирующих с массовыми вымираниями видов и глобальными изменениями климата.

И все же, действительно ли прогнозирование цикла отдано любителям астрономии и геологам с археологами? Неужели тут совсем нет места профессиональным астрономам-солнечникам? Нет, конечно, это не так. Дело в том, что космическая эпоха открыла совершенно новые возможности для изучения солнечной активности. Это и наблюдение магнитных полей, и измерение скорости солнечного ветра, и детектирование солнечных вспышек. Наконец, те же солнечные пятна с помощью современных телескопов можно считать намного точнее, чем 400 лет назад.

Все это открыло дорогу для большого числа новых методов прогноза, основанных на данных современных наблюдений. Достаточно перечислить некоторые названия работ, посвященных прогнозу предстоящего 25-го цикла, вышедших в печати в последние несколько лет:

• Имада и др., 2017, «Предсказание 25-го солнечного цикла на основе модели переноса магнитного потока» — не сообщают о времени начала и максимума цикла, но прогнозируют, что он будет на несколько десятков процентов слабее текущего.
• Шарп и др., 2018, «Нелинейный подход к предсказанию 25 солнечного цикла» — предсказывают максимум в 2023 году, а индекс числа пятен равным 154 (в прошедшем 24-м цикле он был равен 116).
• Хоуэ и др. «Признаки 25-го солнечного цикла в приповерхностных зональных течениях» — прогнозируют, что новый цикл начнется не ранее середины 2019 года.

Это ряд можно продолжать, но есть одна проблема, которую принципиально не могут преодолеть современные методы. Люди научились с высокой точностью измерять магнитные поля, регистрировать вспышки и обнаруживать потоки плазмы всего-то 20-30 лет назад. До этого они лишь считали солнечные пятна. И какой бы замысловатой ни была современная модель, протестировать ее на всем известном ряде солнечных циклов нельзя. Отсюда и невысокая точность этих исследований, и низкий уровень достоверности.

Нельзя забывать и о самой главной проблеме — мы до сих пор не знаем, почему у Солнца появился и существует 11-летний цикл. И пока не будет создано его строгой теоретической модели, мы так и будем блуждать впотьмах.

Что же касается текущего цикла, то все же наиболее вероятным является сценарий, что он запустится в середине или, в крайнем случае, во второй половине текущего года. Если этого не произойдет, это потребует уже вполне серьезного научного объяснения. Остается набраться терпения.