Елена Попова, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ
Почему может наступить "ледниковый мини-период" и как удалось спрогнозировать такое явление на 15 лет вперёд, рассказала принимающая участие в исследовании старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ кандидат физико-математических наук Елена Попова.
- Почему может наступить "ледниковый мини-период" с 2030 по 2040 годы?
- Солнце имеет собственное магнитное поле, амплитуда и пространственная конфигурация которого меняется со временем. Образование и распад в солнечной атмосфере сильных магнитных полей приводит к тому, что со временем меняется волновое (электромагнитное) излучение Солнца, интенсивность потоков корпускул — частиц солнечного газа, находящегося в плазменном состоянии, и количество пятен на поверхности Солнца. Изучение изменения количества пятен на поверхности Солнца и анализ содержания углерода-14, бериллия-10 и других изотопов в ледниках и деревьях показал, что солнечная магнитная активность, связанная с появлением пятен, имеет циклическую структуру.
Выделяют несколько циклов с различными периодами и свойствами. Самые известные из них это 11-летний, 90-летний и 300-400-летний. 11-летний цикл проявляется как циклическое уменьшение пятен на поверхности Солнца каждые 11-лет. 90-летняя вариация связана с периодическим уменьшением количества пятен в 11-летних циклах на 50-25%. 300-400-летние минимумы связаны с возникновением каждые 300-400 лет длительного (до нескольких десятков лет) интервала времени, в течении которого пятен очень мало. Самый известный минимум - это минимум Маундера, который длился примерно с 1645 по 1715 годы. За этот период наблюдалось около 50 солнечных пятен вместо обычных 40-50 тысяч.
Анализ солнечного излучения показал, что его максимумы и минимумы почти совпадают с максимумами и минимумами в количестве пятен.
Исследования показали, что минимум Маундера совпал по времени с наиболее холодной фазой глобального похолодания климата, которое было названо "малый ледниковый период". Во времена минимума Маундера замерзала вода в русле реки Темза, другие реки промерзали насквозь, снег лежал на некоторых равнинах круглый год. В настоящее время понижение температуры может привести к серьёзному негативному влиянию на технику и сельское хозяйство.
Используя наблюдательные данные о солнечном магнитном поле, мы сделали прогноз солнечной магнитной активности, подкрепленный построенной нами физической моделью генерации поля, и получили, что в 2030-2040 годах может возникнуть минимум, который будет длиться примерно 30 лет. Если существующие теории о влиянии солнечной активности на климат верны, то этот минимум приведёт к значительному похолоданию, аналогичному тому, которое было во время минимума Маундера.
- Как удалось спрогнозировать такое явление на 15 лет вперёд?
- Мои коллеги применили метод принципиальной компоненты, который позволяет в наблюдательных данных выявить волны с самым большим вкладом. Это является аналогом разложения белого света призмой на цвета радуги, или на волны с разными частотами. В результате применения анализа для циклов 21-23 были найдено, что магнитные волны на Солнце генерируются парами, и самая главная пара отвечает за дипольные изменения поля, которое наблюдается при изменении солнечной активности. Таким образом удалось уменьшить размерность массива и выделить волны, которые отвечают простому физическому процессу (генерации динамо-волны в заданном слое). К полученным волнам был применён символический регрессионный анализ, основанный на Гамильтоновой инвариантности, и удалось получить аналитические формулы, описывающие эволюцию обеих волн.
Фактически мои коллеги получили формулу зависимости амплитуды волн и их фаз от времени. Затем эти формулы были использованы для предсказания активности в прошлом - от 1200 года - и в будущем - до 3200. Оказалось, что теоретическая эволюция магнитного поля дала для прошедших эпох глобальные минимумы солнечной активности, совпадающие с наблюдаемыми. Кроме этого, предсказание магнитной активности в 24 цикле, на основе этих формул дало 97% точность при сравнении с наблюдениями, то есть с принципиальных компонент, которые они вывели на основе наблюдений. Относительно долгосрочного прогноза мы пока можем говорить, что аналог Маундеровского минимума будет в цикле 26, этот минимум будет короче, чем предыдущий, он продлится в циклах 25-27, а потом активность будет расти. В 17 веке минимум Маундера тянулся 55-60 лет, этот будет не больше 30 лет.
- Что говорят оппоненты вашей группы?
- В других группах исследователи используют индекс солнечной активности для пятен и по особенностям предыдущего цикла могут только предсказывать следующий цикл.
- Каков Ваш вклад в эту работу?
- Мною разработана новая уникальная физико-математическая модель эволюции магнитной активности Солнца. С её помощью мне удалось получить закономерности возникновения глобальных минимумов солнечной активности и дать им физическую интерпретацию. Таким образом, прогнозы, построенные по наблюдательным данным, оказались подтвержденными результатами независимого математического моделирования, что повышает их надёжность.
Моя работа заключалась в объяснении физики возникновения глобальных минимумов и найденного математического закона. И эти модельные расчёты очень близки к характеристикам обнаруженных волн как в циклах 21-26, так и в 1000–летнем масштабе.
Мне удалось теоретически промоделировать изменение амплитуды и фазы двух волн, полученных в наблюдениях, а так же промоделировать поведение суммарного магнитного поля Солнца.
Пользуясь случаем хотелось бы дать информацию для студентов: если они хотят заниматься тематикой солнечной активности или галактических космических лучей у меня, то они должны подойти на кафедру физики космоса на физфаке МГУ ко мне. Ко мне туда записался один магистр.
- Какие у вашей группы дальнейшие планы?
- Недавно мы подготовили статью в Nature, которая, надеюсь, выйдет в скором времени. Эта статья посвящена прогнозу солнечной активности на ближайшее тысячелетие. Прогноз на тысячу лет редакция Nature запрещает пока показывать, так как статья ещё не вышла. После пресс-релиза статьи на National Astronomy Meeting in Llandudno от 9 июля появилось большое количество - сотни - журналистских заметок о нашей работе во многих странах мира, в том числе и в России. Мы даём множество радиоинтервью во многие страны: США, Канада, Австралия, Новая Зеландия, Сингапур, Китай и другие ещё в процессе подготовки. К нам приходит большое количество писем от различных исследователей, студентов и даже писателей из разных стран. Отклик нас просто ошеломил.