2. 11-летний цикл солнечной активности

В середине прошлого столетия астроном-любитель Г. Швабе и Р. Вольф впервые установили факт изменения числа солнечных пятен со временем, причем средний период этого изменения составляет 11 лет. Об этом можно прочесть почти во всех популярных книжках о Солнце. Но мало кто даже из специалистов слышал о том, что еще в 1775 г. П. Горребов из Копенгагена дерзнул утверждать, что существует периодичность солнечных пятен. К сожалению, ряд его наблюдений был слишком мал, чтобы установить продолжительность этого периода. Высокий научный авторитет противников точки зрения Горребова и артиллерийский обстрел Копенгагена, уничтоживший все его материалы, сделали все для того, чтобы об этом утверждении забыли и не вспоминали даже тогда, когда оно было доказано другими.

Конечно, все это нисколько не умаляет научных заслуг Вольфа, который ввел индекс относительных чисел солнечных пятен и сумел по различным материалам наблюдений астрономов-любителей и профессионалов восстановить его с 1749 г. Более того, Вольф определил годы максимальных и минимальных чисел пятен еще со времени наблюдений Г. Галилея, т. е. с 1610. Это и позволило ему упрочить весьма несовершенную работу Швабе, располагавшего наблюдениями только за 17 лет, и впервые определить продолжительность среднего периода изменения числа солнечных пятен. Так по« явился знаменитый закон Швабе - Вольфа, согласно которому изменения солнечной активности происходят периодически, причем длина среднего периода составляет 11,1 года (рис. 12). Конечно, в то время говорилось только об относительном числе солнечных пятен. Но со временем этот вывод был подтвержден для всех известных индексов солнечной активности. Многочисленные иные периоды активных солнечных явлений, особенно более короткие, которые были обнаружены исследователями Солнца за прошедшие 100 с лишним лет, неизменно опровергались, и только 11-летний период всегда оставался незыблемым.

Рис. 12. Кривая среднегодичных цюрихских относительных чисел солнечных пятен за 1755-1980 годы.

Хотя изменения солнечной активности происходят периодически, эта периодичность особая. Дело в том, что интервалы времени между годами максимальных (или минимальных) чисел Вольфа довольно сильно различаются. Известно, что с 1749 г. до наших дней продолжительность их колебалась от 7 до 17 лет между годами максимумов и от 9 до 14 лет между годами минимумов относительного числа солнечных пятен. Поэтому правильнее будет говорить не об 11-летнем периоде, а об 11-летнем цикле (т. е. периоде с возмущениями, или «скрытом» периоде) солнечной активности. Этот цикл имеет исключительно важное значение как для проникновения в сущность солнечной активности, так и для изучения солнечно-земных связей.

Но 11-летний цикл проявляется не только в изменении частоты солнечных новообразований, в частности, солнечных пятен. Его можно обнаружить также по изменению со временем широты групп пятен (рис. 13). Это обстоятельство привлекло внимание известного английского исследователя Солнца Р. Кэррингтона еще в 1859 г. Он обнаружил, что в начале 11-летнего цикла пятна обычно появляются на высоких широтах, в среднем на расстоянии ±25 - 30° от экватора Солнца, тогда как в конце цикла предпочитают участки ближе к экватору, в среднем на широтах ±5 - 10°. Позже это гораздо убедительнее показал немецкий ученый Г. Шиерер. Сначала этой особенности не придавали особого значения. Но потом положение резко изменилось. Оказалось, что среднюю продолжительность 11-летнего цикла можно определить гораздо точнее по изменению широты групп солнечных пятен, чем по вариациям чисел Вольфа. Поэтому ныне закон Шперера, который свидетельствует об изменении широты групп пятен с ходом 11-летнего цикла, наряду с законом Швабе - Вольфа выступает как основной закон солнечной цикличности. Все дальнейшие работы в этом направлении только уточняли детали и по-разному объясняли эту вариацию. Но они, тем не менее, оставили неизменной формулировку закона Шперера.

Рис. 13. Диаграмма 'бабочек' групп солнечных пятен (по Гринвичу).

Теперь мы обратимся к 11-летнему циклу солнечной активности, который в течение сотни с лишним лет со времени его открытия неизменно находился в центре внимания исследователей Солнца. За его кажущейся поразительной простотой на самом деле скрывается столь сложный и многогранный процесс, что мы всегда стоим перед опасностью потерять все или по крайней мере многое из того, что он перед нами уже раскрыл. Прав был один из наиболее известных специалистов по прогнозам солнечной активности немецкий астроном В, Глайсберг, когда в одной из своих популярных статей сказал следующее; «Сколько раз исследователям солнечной активности казалось, что наконец-то им удалось окончательно установить все основные закономерности 11-летнего цикла. Но вот наступал новый цикл, и уже первые его шаги начисто отбрасывали всю их уверенность и заставляли заново пересматривать то, что они считали окончательно установленным». Может быть, в этих словах немного сгущены краски, но суть их, безусловно, верна, особенно когда речь идет о прогнозе солнечной активности.

Как мы уже говорили, в определенные годы числа Вольфа имеют максимальную или минимальную величину. Эти годы или еще более точно определенные моменты времени, например, кварталы или месяцы, называют соответственно эпохами максимума и минимума 11-летнего цикла, или, более обще, эпохами экстремумов. Среднемесячные и среднеквартальные значения относительных чисел пятен, помимо в общем регулярного, плавного изменения, характеризуются очень неправильными, сравнительно кратковременными флуктуациями (см. раздел 5 этой главы). Поэтому обычно эпохи экстремумов выделяют по так называемым сглаженным среднемесячным числам Вольфа, которые представляют собой усредненные особым способом за 13 месяцев величины этого индекса, полученного из наблюдений, или по верхней и нижней огибающим кривых изменения среднеквартальных значений относительных чисел пятен. Но иногда применение таких методов может привести к ложным результатам, особенно в низких циклах, т. е. циклах с небольшим максимальным числом Вольфа. Интервал времени от эпохи минимума до эпохи максимума 11-летнего цикла получил название ветви роста, а от эпохи максимума до эпохи следующего минимума - ветви его спада (рис. 14).

Рис. 14. Схема кривой 11-летнего цикла солнечной активности.

Продолжительность 11-летнего цикла по эпохам минимума определяется гораздо лучше, чем по эпохам максимума. Но и в этом случае возникает затруднение, которое заключается в том, что следующий цикл, как правило, начинается раньше, чем заканчивается предыдущий. Теперь мы научились различать группы пятен нового и старого циклов по полярности их магнитного поля. Но такая возможность появилась немногим более 60 лет назад. Поэтому ради сохранения однородности методики приходится довольствоваться все-таки не истинной длиной 11-летнего цикла, а неким ее «эрзацем», определяемым по эпохам минимальных чисел Вольфа. Вполне естественно, что в этих числах обычно объединены группы пятен нового и старого 11-летних циклов.

11-летние циклы солнечных пятен отличаются не только различной длиной, но и различной их интенсивностью, т. е. разными значениями максимальных чисел Вольфа. Мы уже говорили о том, что регулярные данные о среднемесячных относительных числах пятен цюрихского ряда имеются с 1749 г. Поэтому первым цюрихским 11-летним циклом считают цикл, начавшийся в 1775 г. Предшествующий же ему цикл, содержащий неполные данные, видимо, по этой причине получил нулевой номер. Если за прошедшие со времени начала регулярного определения чисел Вольфа 22 цикла (включая нулевой и еще не закончившийся, но уже прошедший свой максимум текущий) максимальное среднегодичное число Вольфа в среднем равнялось 106, то в различных 11-летних циклах оно испытывало колебание от 46 до 190. Особенно высоким был закончившийся в 1964 г. 19-й цикл. В его максимуме, который наступил в конце 1957 г., среднеквартальное число Вольфа равнялось 235. Второе место вслед за ним занимает нынешний, 21-й цикл, максимум которого прошел в конце 1979 г. со среднеквартальным относительным числом солнечных пятен 182. Самые низкие циклы солнечных пятен относятся к началу прошлого столетия. Один из них, 5-й по цюрихской нумерации, самый продолжительный из наблюдавшихся 11-летних циклов. Некоторые исследователи солнечной активности даже сомневаются в реальности его продолжительности и считают, что она полностью обязана «деятельности» на поприще науки Наполеона I. Дело в том, что всецело поглощенный ведением победоносных войн французский император мобилизовал в армию почти всех астрономов обсерваторий Франции и покоренных им стран. Поэтому в те годы наблюдения Солнца велись столь редко (не более нескольких дней за месяц), что вряд ли можно доверять полученным тогда числам Вольфа. Трудно сказать, насколько основательны подобные сомнения. Кстати, косвенные данные о солнечной активности за это время не противоречат выводу о низком уровне относительных чисел солнечных пятен в начале XIX в. Однако просто так эти сомнения отбросить тоже нельзя, поскольку они позволяют избавиться от некоторых исключений, в особенности для отдельных 11-летних циклов. Любопытно, что второй самый низкий цикл, максимум которого относится к 1816 г., имел длину всего 12 лет, в отличие от своего предшественника.

Поскольку мы располагаем данными за двести с лишним лет только о числах Вольфа, все основные свойства 11-летних циклов солнечной активности выведены именно для этого индекса. С легкой руки маститого первооткрывателя 11-летнего цикла более пятидесяти лет исследователи солнечной активности были заняты главным образом поисками полного набора циклов продолжительностью от нескольких месяцев до сотни лет. Р. Вольф, убежденный в том, что солнечная цикличность - плод воздействия на Солнце планет Солнечной системы, сам положил начало этим поискам. Однако все эти работы дали гораздо больше для развития математики, чем для изучения солнечной активности. Наконец, уже в 40-х годах нынешнего столетия, один из «наследников» Вольфа по Цюриху М. Вальдмайер осмелился усомниться в правоте своего «научного прадеда» и перенес причину 11-летней цикличности внутрь самого Солнца. Именно с этого времени собственно и началось настоящее исследование главных внутренних свойств 11-летнего цикла солнечных пятен.

Интенсивность 11-летнего цикла довольно тесно связана с его длительностью. Чем мощнее этот цикл, т. е. чем больше его максимальное относительное число пятен, тем меньше его продолжительность. К сожалению, эта особенность носит скорее чисто качественный характер. Она не позволяет достаточно надежно определить значение одной из этих характеристик, если известна вторая. Гораздо увереннее выглядят результаты изучения связи максимального числа Вольфа (точнее, его десятичного логарифма) с длиной ветви роста 11-летнего цикла, т. е. той частью кривой, которая характеризует нарастание чисел Вольфа от начала цикла до его максимума. Чем больше максимальное число солнечных пятен в этом цикле, тем короче ветвь его роста. Таким образом, форма циклической кривой 11-летнего цикла в значительной степени определяется его высотой. У высоких циклов она отличается большой асимметрией, причем длина ветви роста всегда короче длины ветви спада и равна 2 - 3 годам. У сравнительно слабых циклов эта кривая почти симметрична. И лишь самые слабые 11-летние циклы вновь показывают асимметрию, только противоположного типа: у них ветвь роста длиннее ветви спада.

В противоположность длине ветви роста, длина ветви спада 11-летнего цикла тем больше, чем выше его максимальное число Вольфа. Но если предыдущая связь очень тесная, то эта гораздо слабее. Вероятно, именно поэтому максимальное относительное число пятен только качественно определяет продолжительность 11-летнего цикла. Вообще ветвь роста и ветвь спада основного цикла солнечной активности во многих отношениях ведут себя по-разному. Начать хотя бы с того, что если на ветви роста сумма среднегодичных чисел Вольфа почти не зависит от высоты цикла, то на ветви спада она определяется именно этой характеристикой. Не удивительно, что столь неудачными были попытки представить кривую 11-летнего цикла математическим выражением не с двумя, а с одним параметром. На ветви роста многие связи оказываются гораздо более четкими, чем на ветви спада. Создается впечатление, что именно особенности усиления солнечной активности в самом начале 11-летнего цикла диктуют его характер, тогда как его поведение после максимума в общем примерно одинаково во всех 11-летних циклах и различается только вследствие разной длины ветви спада. Впрочем, скоро мы увидим, что это первое впечатление нуждается в одном важном дополнении.

Свидетельства в пользу определяющего значения ветви роста 11-летнего цикла дали исследования циклических изменений суммарной площади солнечных пятен. Выяснилось, что по длине ветви роста можно достаточно надежно установить максимальное значение суммарной площади пятен. Ранее уже говорилось о том, что в этот индекс в неявной форме включено число групп пятен. Вполне естественно поэтому, что для него мы получаем, в сущности, те же выводы, что и для чисел Вольфа. Гораздо хуже известны закономерности 11-летнего цикла для частоты других явлений солнечной активности, в частности, солнечных вспышек. Чисто качественно можно полагать, что для них они окажутся такими же, как для относительных чисел и суммарной площади солнечных пятен.

До сих пор мы имели дело с явлениями солнечной активности любой мощности. Но, как мы уже знаем, явления на Солнце очень сильно отличаются по своей интенсивности. Даже в обыденной жизни вряд ли кто поставит на одну доску легкое перистое облачко и большую черную тучу. А пока мы поступали именно так. И вот что любопытно. Стоит только разделить активные солнечные образования по их мощности, как мы приходим к довольно разноречивым результатам. Явления слабой или средней интенсивности в общем дают ту же кривую 11-летнего цикла, что и числа Вольфа. Это относится не только к числу пятен, но и к числу факельных площадок, и к числу солнечных вспышек. Что же касается наиболее мощных активных образований на Солнце, то они чаще всего встречаются не в саму эпоху максимума 11-летнего цикла, а через 1 - 2 года после нее, а иногда и до этой эпохи. Таким образом, для этих явлений циклическая кривая либо становится двухвершинной, либо сдвигает свой максимум на более поздние по отношению к числам Вольфа годы. Именно таким образом ведут себя самые большие группы солнечных пятен, самые большие и яркие кальциевые флоккулы, протонные вспышки, всплески радиоизлучения IV типа. Аналогичную форму имеют кривые 11-летнего цикла для интенсивности зеленой корональной линии, потока радиоизлучения на метровых волнах, средней напряженности магнитных полей и средней продолжительности жизни групп солнечных пятен, т. е. индексов мощности явлений.

Наиболее своеобразно проявляется 11-летний цикл в законе Шперера для различных процессов солнечной активности. Как мы уже знаем, для групп солнечных пятен он выражается в изменении в среднем широты их появления от начала к концу цикла. При этом по мере развития цикла скорость такого «сползания» зоны солнечных пятен к экватору постепенно уменьшается и через 1 - 2 года после эпохи максимума чисел Вольфа оно вовсе прекращается, когда зона достигает «барьера» в интервале широт 7°,5 - 12°,5. Дальше происходят только колебания зоны вокруг этой средней широты. Создается впечатление, что 11-летний цикл «работает» только до этого времени, а затем постепенно как бы «рассасывается». Известно, что пятна охватывают довольно широкие зоны по обе стороны от экватора Солнца. Ширина этих зон тоже изменяется с течением 11-летнего цикла. Они самые узкие в начале цикла и самые широкие в эпоху его максимума. Именно этим объясняется то обстоятельство, что в наиболее мощных циклах, таких, как 18-й, 19-й и 21-й цюрихской нумерации, самые высокоширотные группы пятен наблюдались не в начале цикла, а в годы максимума. Группы пятен малых и средних размеров располагаются практически по всей ширине «королевских зон», но предпочитают концентрироваться к их центру, положение которого все приближается к экватору Солнца по мере развития цикла. Наиболее крупные группы пятен «облюбовали» края этих зон и только изредка «снисходят» к внутренним их частям. Если судить только по расположению этих групп, то можно подумать, что закон Шперера является лишь статистической фикцией. Подобным же образом ведут себя и солнечные вспышки разной мощности.

На ветви спада 11-летнего цикла средняя широта групп солнечных пятен, начиная с ±12°, не зависит от высоты цикла. В то же время в год максимума она определяется максимальным числом Вольфа в этом цикле. Более того, чем мощнее 11-летний цикл, тем на более высоких широтах появляются его первые группы пятен. В то же время широты групп в конце цикла, как мы уже видели, в сущности, в среднем одинаковы безотносительно к тому, какова его мощность.

Северное и южное полушария Солнца проявляют себя весьма по-разному в отношении развития в них 11-летних циклов. К сожалению, числа Вольфа определялись только для всего солнечного диска. Поэтому мы располагаем по данному вопросу довольно скромным материалом Гринвичской обсерватории о числе и площадях групп пятен примерно за сто лет. Но все же гринвичские данные позволили выяснить, что роль северного и южного полушарий заметно изменяется от одного 11-летнего цикла к другому. Это выражается не только в том, что во многих циклах одно из полушарий определенно выступает в роли «дирижера», но и в различии формы циклической кривой этих полушарий в одном и том же 11-летнем цикле. Такие же свойства были обнаружены и по числу групп солнечных пятен и по их суммарным площадям. Более того, нередко эпохи максимума цикла в северном и южном полушариях Солнца отличаются на 1-2 года. Подробнее об этих различиях мы будем говорить при рассмотрении продолжительных циклов. А пока в качестве примера вспомним лишь, что в самом высоком 19-м цикле солнечная активность определенно преобладала в северном полушарии Солнца. При этом эпоха максимума в южном полушарии наступила на два с лишним года раньше, чем в северном.

До сих пор мы рассматривали особенности развития 11-летнего цикла солнечной активности только для явлений, происходящих в «королевских зонах» Солнца. На более высоких широтах этот цикл, по-видимому, начинается раньше. В частности, давно уже было известно, что увеличение числа и площади протуберанцев в интервале широт ±30 - 60° происходит примерно за год до начала 11-летнего цикла пятен и низкоширотных протуберанцев. Любопытно, что если в «королевских зонах» средняя широта появления протуберанцев с ходом цикла постепенно уменьшается, подобно тому, как это происходит с группами солнечных пятен, то более высокоширотные протуберанцы имеют в начале цикла в среднем меньшую широту, чем в его конце. Нечто подобное наблюдается и у корональных конденсаций. Некоторые исследователи считают, что для зеленой корональной линии 11-летний цикл начинается примерно на 4 года раньше, чем для групп пятен. Но сейчас еще трудно сказать, насколько надежен этот вывод. Не исключено, что на самом деле на Солнце постоянно сохраняется высокоширотная зона корональной активности, которая с учетом данных, полученных для более низких широт, и приводит к такому кажущемуся результату.

Еще необычнее ведут себя слабые магнитные поля вблизи его полюсов. Они достигают минимальной величины напряженности примерно в годы максимума 11-летнего цикла и в это же время полярность поля меняется на противоположную. Что же касается эпохи минимума, то в этот период напряженность полей довольно значительна и полярность их остается неизменной. Любопытно, что изменение полярности поля вблизи северного и южного полюсов происходит не одновременно, а с разрывом в 1 - 2 года, т. е. все это время полярные области Солнца обладают одинаковой полярностью магнитного поля.

Число полярных факелов изменяется параллельно с величиной напряженности поля вблизи полюсов Солнца в каждом его полушарии (между прочим, предваряя практически такое же изменение чисел Вольфа примерно через 4 года). Поэтому, хотя мы располагаем данными о слабых полярных магнитных полях менее чем за три 11-летних цикла, результаты наблюдений полярных факельных площадок позволяют сделать вполне определенный вывод относительно их циклических изменений. Таким образом, магнитные поля и факельные площадки в полярных областях Солнца отличаются тем, что их 11-летний цикл начинается в максимуме 11-летнего цикла солнечных пятен и достигает максимума вблизи эпохи минимума пятен. Будущее покажет, насколько надежен этот результат. Но нам кажется, что если не вникать в детали, вряд ли последующие наблюдения приведут к существенному его изменению. Любопытно, что полярные корональные дыры отличаются точно таким же характером 11-летней вариации.

Хотя солнечная постоянная, как уже говорилось, не испытывает ощутимых колебаний с ходом 11-летнего цикла, это отнюдь не означает, что подобным образом ведут себя и отдельные области спектра излучения Солнца. В этом читатель уже мог убедиться, когда рассматривались потоки радиоизлучения Солнца. Несколько слабее изменения интенсивности фиолетовых линий ионизованного кальция Н и К. Но и эти линии в эпоху максимума примерно на 40% ярче, чем в эпоху минимума 11-летнего цикла. Имеются данные, хотя и не совсем бесспорные, об изменении с ходом цикла глубины линий в видимой области солнечного спектра. Однако самые внушительные вариации излучения Солнца относятся к рентгеновскому и дальнему ультрафиолетовому диапазонам длин волн, возможность изучения которых дали искусственные спутники Земли и космические аппараты. Оказалось, что интенсивность рентгеновского излучения в интервалах длин волн 0 - 8 А, 8 - 20 А и 44 - 60 А от минимума к максимуму 11-летнего цикла возрастает в 500, 200 и 25 раз. Не менее ощутимые изменения происходят и в спектральных областях 203 - 335 А и вблизи 1216 А (в 5,1 и 2 раза).

Как было обнаружено с помощью современных математических методов, существует так называемая тонкая структура 11-летнего цикла солнечной активности. Она сводится к устойчивому «ядру» вокруг эпохи максимума, охватывающему примерно 6 лет, двум или трем вторичным максимумам и расщеплению цикла на две составляющие со средними периодами около 10 и 12 лет. Такая тонкая структура выявляется и в форме циклической кривой чисел Вольфа, и в «диаграмме бабочек». В частности, в самых высоких 11-летних циклах, кроме основной зоны солнечных пятен, имеется также высокоширотная зона, которая сохраняется только до эпохи максимума и смещается с ходом цикла не к экватору, а к полюсу. Кроме того, «диаграмма бабочек» для групп пятен представляет собой не единое целое, а как бы складывается из так называемых цепочек-импульсов. Суть этого процесса состоит в том, что, появляясь на сравнительно высокой широте, группа пятен (или несколько групп) за 14 - 16 месяцев смещается к экватору Солнца. Такие цепочки-импульсы особенно хорошо заметны на ветви роста и ветви спада 11-летнего цикла. Возможно, они связаны с флуктуациями солнечной активности.

Советский исследователь Солнца А. И. Оль установил еще одно фундаментальное свойство 11-летнего цикла солнечной активности. Изучая связь между индексом рекуррентной геомагнитной активности за последние четыре года цикла и максимальным числом Вольфа, он обнаружил, что она очень тесная, если число Вольфа относится к следующему 11-летнему циклу, и совсем слабая, если оно относится к тому же циклу, что и индекс геомагнитной активности. Отсюда следует, что 11-летний цикл солнечной активности зарождается «в недрах» старого. Рекуррентная геомагнитная активность обусловлена корональными дырами, которые, как мы знаем, возникают, как правило, над униполярными областями фотосферного магнитного поля. Следовательно, истинный 11-летний цикл начинается в середине ветви спада появлением и усилением не биполярных, а униполярных магнитных областей. Эта первая стадия развития заканчивается к началу того 11-летиего цикла, с которым мы привыкли иметь дело. В это время начинается его вторая стадия, когда развиваются биполярные магнитные области и все те явления солнечной активности, о которых мы уже говорили. Она длится до середины ветви спада привычного нам 11-летнего цикла, когда происходит зарождение нового цикла. Любопытно, что столь важная особенность 11-летнего цикла не была замечена непосредственно на Солнце, но ее удалось установить при изучении влияния солнечной активности на атмосферу Земли.