Солнечная активность

Такой необычайно низкий уровень солнечной активности отразился и на атмосфере нашей планеты. В это время отмечались очень низкая геомагнитная активность и совсем мало полярных сияний. Дополнительные сведения дают наблюдения солнечных пятен, видимых невооруженным глазом, и полных солнечных затмений, зафиксированные в китайских летописях. Они показывают, что маундеровский минимум отличался полным отсутствием больших групп пятен и что солнечная корона в это время характеризовалась отсутствием внутренней структуры, которая обычно видна в эпоху максимума 11-летнего цикла. Еще одно косвенное свидетельство принесли исследования концентрации радиоуглерода 14С в датированных образцах древесины. В периоды наиболее высокой солнечной активности поток галактических космических лучей, вызывающий образование радиоуглерода, ослабляется, что приводит к уменьшению его концентрации. При низкой солнечной активности наблюдается противоположная картина. Оказалось, что во время маундеровского минимума коццентрация 14С максимальна, тем самым подтверждая его реальность.
Итак, маундеровский минимум представляет собой длительный период необычно низкой солнечной активности, Согласно данным Эдди, самые высокие среднегодичные значения чисел Вольфа в это время не превышали 18. Учитывая, что материалы, по которым они восстанавливались, были далеко не полными и обрывочными и носили, как правило, качественный характер, можно с равным успехом доказывать их правильность или ошибочность. Но если отвлечься от этого, хотя и немаловажного обстоятельства, и исходить из всего комплекса и прямых и косвенных данныХз то становится очевидным, что солнечная активность во время маундеровского минимума заметно отличалась от той, к которой мы привыкли. Очень образное ее описание дал Маундер: «Так же, как в сильно затопленной местности самые возвышающиеся области еще будут поднимать свои головы над паводком, и шпиль здесь, холм, башня или дерево там способны дать очертания конфигурации затопленной равнины, годы с пятнами, по-видимому, выделяются, как кресты затонувшей кривой пятен». Как видим, существование 11-летнего цикла в этот период у Маундера, в отличие от Эдди, не вызывало сомнения. Только слишком необычно тогда выглядел этот цикл.

Основными характеристиками флуктуации солнечной активности, в частности, индексов солнечных пятен, являются их амплитуда и продолжительность. Амплитуда определяется как максимальное отклонение от соответствующего сглаженного значения индекса, который мы рассматриваем. В случае индекса флуктуированности это отклонение от единицы. Продолжительность флуктуации можно определить двумя способами: либо как время между соседними минимальными величинами рассматриваемого показателя солнечной активности, либо как время между последовательными пересечениями кривой индексов, полученных из наблюдений, с кривой их сглаженных значений. Хотя первый способ кажется более естественным, чаще применяют второй способ, поскольку он более удобен в случае наиболее употребительного индекса флуктуированности.
Каково же соотношение флуктуации и циклов солнечных пятен? На этот счет имеются два крайних взгляда, которые, как это ни странно, выражают одну и ту же методологическую позицию. Согласно первому из них 11-летний цикл является суммой более коротких циклов, которые называют флуктуациями. В соответствии с другой точкой зрения все солнечные циклы — это флуктуации, только большей длительности, Следовательно, и солнечные флуктуации и солнечные цик-лы — изменения одного типа. Либо и те и другие являются периодами с возмущениями, либо и первые и вторые представляют собой случайные колебания. Но как только мы переходим от общих рассуждений к численной проверке с помощью методов математической статистики, оба эти взгляда теряют под собой почву. Ведь, как мы уже видели, циклы солнечной активности— это периоды с возмущениями, т. е. такие периоды, средняя продолжительность которых сохраняется в течение длительных промежутков времени, хотя в различных циклах она и испытывает некоторые колебания, как и высота циклов. Совсем иное дело флуктуации солнечной активности. Их появление носит не периодический, а случайный характер, и в этом смысле их молено считать как бы независимыми процессами.

Стоит нам обратиться к более коротким интервалам времени усреднения индексов солнечной активности, хотя бы к среднемесячным или среднеквартальным числам Вольфа, как от плавности циклической кривой не остается и следа. Вся она приобретает очень сложный вид с множеством пиков и углублений, располагающихся в самом хаотическом порядке. Такие отклонения от среднего хода циклической кривой обычно называют флуктуациями солнечной активности. Размах (или амплитуда) этих флуктуации весьма различен. Да и среднее количество их за год тоже испытывает значительные колебания от одного 11-летнего цикла к другому. Наиболее детально были изучены флуктуации относительных чисел и суммарной площади солнечных пятен.
Для изучения солнечных флуктуации используют как «разностные», так и «относительные» индексы. Первые представляют собой разности полученных из наблюдений и сглаженных тем или иным способом величин показателей солнечной активности. Вторые являются отношениями полученных из наблюдений значений этих индексов к сглаженным их величинам. Обычно их называют индексами флуктуированности. Разностные показатели флуктуации изменяются в общем параллельно ходу 11-летнего цикла. Поэтому их относительные индексы можно считать более «чистой» характеристикой. Но было бы заблуждением принимать их за идеальный показатель. Вблизи эпохи минимума, когда значения индексов солнечных пятен близки к нулю, определение индекса флуктуированности становится затруднительным, а иногда и невозможным.

Вполне понятно, что проще всего было бы допустить существование «двойного» 80—90-летнего цикла длительностью 15 или 16 одиннадцатилетних циклов. Но ведь никто не может сказать, что подъем максимальных чисел Вольфа уже закончился и начался их спад. Поэтому с равным успехом можно признавать или отрицать правомерность такой точки зрения. Более того, 20-й и текущий 21-й циклы солнечных пятен, мягко говоря, не способствовали ее утверждению. Единственное, что вытекает из данных ряда Шове и цюрихского ряда чисел Вольфа, это четкость векового цикла в четных столетиях и его «рыхлость» и «размазанность» в нечетных.
Гораздо более надежным, хотя тоже гипотетическим, является утверждение о том, что продолжительность «длинного» цикла составляет по крайней мере несколько столетий или близка к тысяче лет. Именно к такому выводу привело изучение отношения длины ветви роста к длине ветви спада 11-летнего цикла солнечных пятен за период с 1615 по 1937 г. К подобному же заключению ведет и изменение со временем тесноты связи между длиной ветви роста и высотой 11-летнего цикла. Существуют и косвенные данные, которые свидетельствуют в пользу такого утверждения. В частности, об этом говорит изменение числа комет, видимых невооруженным глазом, числа полярных сияний, а также толщины колец деревьев. Они дают длину цикла, равную примерно 600 годам. Такая же продолжительность «длинного» цикла вытекает из ряда Шове. Иногда называют также цифру 400 лет тоже на основании данных о кометах. Любопытно, что примерно за 600 лет до 19-го цикла было отмечено событие, хорошо известное из истории Земли. Именно в это время на нашей планете произошло настолько сильное похолодание, что некогда покрытая зеленью Гренландия превратилась в привычную для нас землю льдов. Теперь ясно, почему она получила столь непонятное название (green по-английски «зеленый»). Просто оно относится не к настоящему этой северной земли, а к ее прошлому.
Если продолжительность длинного цикла действительно составляет примерно 600 лет, то ближайшие 11-летние циклы должны дать перелом в кривой максимальных чисел Вольфа. Пока мы вынуждены ограничиться этими весьма предположительными рассуждениями, которые сейчас невозможно ни доказать, ни опровергнуть.

Некоторые исследователи солнечной цикличности считают, что дополнительным свидетельством в пользу реальности существования векового цикла является нарушение закономерностей 22-летнего и 11-летнего циклов вблизи его экстремумов. Действительно, если не принимать всерьез оговорок относительно 5-го цикла, то получается, что отступление от общего правила относится к 4—5-му циклам и 8—9-му циклам, расположенным соответственно вблизи минимума и максимума векового цикла. Кроме того, именно в 9-м и 19-м циклах, т. е. в максимуме вековых циклов, было отмечено нарушение соотношения между длиной ветви роста и высотой 11-летнего цикла. Насколько верно такое утверждение, опять-таки покажет будущее. Но и сейчас ясно, что его нельзя считать безосновательным.
До сих пор речь шла только о таких солнечных циклах, которые внушают доверие уже хотя бы потому, что они установлены на основе фактического материала по наблюдениям солнечных пятен. Но все эти циклы еще не могут объяснить особенностей кривой изменения чисел Вольфа даже за 240 с небольшим лет. Стоит только взглянуть на кривую максимальных относительных чисел пятен, как сразу бросается в глаза ее медленный, но неуклонный подъем. Вряд ли эту особенность можно объяснить, не допустив существования какого-то гипотетического длинного цикла. И вот тут мы невольно вступаем в область сплошных предположений. Поэтому не стоит удивляться, что дальше пойдут еще более многочисленные оговорки, без которых читатель невольно был бы введен в заблуждение относительно надежности полученных выводов.

Самая разительная особенность векового цикла была выявлена с помощью ряда Шове. Выяснилось, что, в отличие от 11-летнего цикла, ветвь роста 80— 90-цикла тем длиннее, чем больше его интенсивность. В то же время характер связи длины ветви спада 11-летнего и векового циклов с их интенсивностью практически одинаков. Вековой цикл связан не столько с самим 11-летним циклом, сколько с одним из периодов его тонкой структуры, 10-летним, и кратен именно этому периоду. Начинается он не в эпоху минимума, а вскоре после эпохи максимума 11-летнего цикла. Более того, первый год после максимума 11-летнего цикла характерен тем, что величина отношения сглаженных по четырем точкам вторых разностей чисел Вольфа к соответствующим им числам Вольфа практически постоянна и отрицательна. Такой же результат получается и для индекса средней продолжительности жизни групп пятен. Это показывает, что 80—90-летний цикл, в отличие от 11-летнего, который напоминает взрыв, имеет характер свободных гармонических колебаний. Возможно, такие колебания вызываются циклическими изменениями глубины конвективной зоны Солнца. Таким образом, мы могли убедиться в том, что 80—90-летний цикл — цикл особый.

Как видите, подтверждения реальности векового цикла солнечных пятен довольно разнообразны, и с ними нельзя не считаться. В свое время было выдвинуто и множество геофизических подтверждений векового цикла. Но вполне естественно, что они не могли быть решающими, поскольку требовалось еще доказать их солнечное происхождение. Таким образом, получался как бы замкнутый круг. Теперь же, когда сами солнечные явления дали нам такие подтверждения, вряд ли имеет смысл апеллировать еще и к нашей планете. Остается только один вопрос: какова же средняя продолжительность векового цикла? Пока однозначно ответить на него невозможно. Единственное, что для нас ясно уже и сейчас, это то, что продолжительность векового цикла колеблется в довольно широких пределах: судя по данным ряда Шове от 30 до 120 лет. В последние годы дополнительное убедительное свидетельство в пользу реальности 80—90-летнего цикла солнечных пятен было получено при анализе концентрации радиоуглерода в датированных образцах древесины.

Как мы уже говорили, имеется ряд косвенных подтверждений существования векового цикла солнечных пятен. Одним из них служит тот факт, что вблизи максимумов этих циклов ширина зон пятен расширяется и в это время наблюдается необычно большое число высокоширотных групп пятен. В частности, именно так и обстояло дело в 18-м и 19-м циклах. Уже упоминалось, что соотношение между уровнем активности в северном и южном полушариях Солнца изменяется в среднем с периодом 80—90 лет. Вековой цикл обнаруживается также в некоторых связях между различными индексами солнечной активности. В частности, он проявляется в изменении коэффициентов соотношения между площадью и напряженностью магнитного поля пятен. По мере развития векового цикла в среднем уменьшается максимальная напряженность магнитного поля пятен и увеличивается число самых крупных, а также короткоживущих групп пятен. Возрастает к максимуму векового цикла и средняя широта групп-однодневок и групп с продолжительностью существования больше 6 суток, появляющихся на широтах выше ±20. Параллельно с этим происходит уменьшение величины собственных движений групп пятен. Вековые изменения проявляются также в кривых изменения площади групп пятен. Они характерны и для изменений со временем средних значений средней и максимальной площади групп. Наконец, один из коэффициентов формулы, определяющей кривую 11-летнего цикла, тоже показывает вековой цикл.

Наиболее четко 80—90-летняя вариация выделяется по сумме среднегодичных чисел Вольфа в 11-летнем цикле или по максимальным их значениям. Для того чтобы избавиться от искажений, вносимых колебаниями меньшей длительности, обычно применяют математические приемы, которые дают более плавную кривую. Чаще всего используется сглаживание по четырем точкам, причем в роли точки теперь выступает И-летний цикл (рис. 15). С 1749 г. до наших дней по среднего-дичным относительным числам пятен было выделено два минимума и три максимума вековых циклов. Согласно цюрихской нумерации 11-летних циклов, минимумы были в 6-м и 14-м циклах, а максимумы в 3-м, 9-м и, по-видимому, 19-м циклах. Для некоторых чисто качественных оценок можно воспользоваться рядом данных о высоте и эпохах экстремумов 11-летних циклов, полученным английским исследователем Дж. Шове по историческим записям пятен и полярных сияний с 648 г. до и. э. до начала регулярных наблюдений солнечных пятен. Но при этом следует помнить, что хотя связь солнечных пятен с полярными сияниями очень тесная, тем не менее она статистическая. Поэтому точность экстремумов 11-летних циклов, хотя при их определении и учтен сдвиг примерно на три года максимума чисел Вольфа относительно максимума числа полярных сияний, в этом ряду весьма невысокая. Их неопределенность равна 2—3 годам, а иногда и больше. Тем не менее ряд Шове является дополнительным подтверждением реальности векового цикла солнечных пятен. Ведь он содержит с 200 г. до и. э. (когда данные уже не носили обрывочного характера) и до наших дней 197 одиннадцатилетних циклов.
Хотя первоначально 80—90-летний цикл был обнаружен по среднегодичным значениям чисел Вольфа, тем не менее этот индекс отнюдь не является лучшим для решения рассматриваемой задачи. Если разложить числа Вольфа на их основные составляющие — число групп и среднюю продолжительность их существования, —то оказывается, что первая в основном показывает изменения со средним периодом 11 лет, о чем уже говорилось, тогда как вторая — со средним периодом 80—90 лет. Таким образом, можно сказать, что если 11-летний цикл характерен для частоты явлений солнечной активности, то вековой цикл — для их мощности, К сожалению, пока мы не располагаем достаточно длинными рядами наблюдений каких-либо других активных образований на Солнце, кроме солнечных пятен. И в этом смысле наше заключение является гипотетическим. Но для солнечных пятен его можно считать достаточно надежным.

Ранее мы уже говорили о том, что продолжительность и интенсивность 22-летних циклов испытывают заметные изменения со временем. Характер таких изменений тоже циклический. Это впервые обнаружил Р. Вольф и даже установил их средний период: 67— 83 года. Но цюрихский ряд относительных чисел пятен был тогда столь короток, что можно было строить лишь догадки об истинной продолжительности этого цикла. Только в сороковых годах нынешнего века было установлено, что средняя длительность его близка к столетию. Отсюда появилось и его название — вековой цикл. Если говорить точнее, то по различным определениям средняя продолжительность векового цикла составляет 80—90 лет. К сожалению, данные о числах Вольфа, которыми мы располагаем в настоящее время, не позволяют считать эту оценку достаточно надежной. Ведь при такой длительности цикла двести сорок с небольшим лет — срок явно недостаточный для строгих методов математической статистики. Вот почему спор о том, существует ли в действительности вековой цикл солнечных пятен, не прекратился до сих пор. И если чаша весов все-таки сейчас склоняется в пользу тех, кто не сомневается в его реальности, причиной тому, скорее всего, являются многочисленные косвенные доказательства, связанные с некоторыми особенностями главным образом солнечных пятен.