CC BY
57
УДК 524.1-352
О НОВОМ ДЛИТЕЛЬНОМ МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ
АКТИВНОСТИ
Ю. И. Стожков1, В. П. Охлопков2
Текущий 24-й цикл солнечной активности, который начался в 2008 г. и продолжается, по настоящее время, является, аномальным, по сравнению с предшествующими циклами. Его необычные свойства включают в себя, низкое число солнечных пятен в течение длительного времени, слабое межпланетное магнитное поле, слабое полярное фотосферное поле на Солнце и др. Начиная, с 1000 г. по настоящее время им,ел,и место 5 длительных минимумов солнечной активности. Эти минимумы происходили в периоды времени, когда расстояние между ■центром, масс солнечной системы, и центром Солнца несколько раз изменялось от максимальных до минимальных значений за, время 40-70 лет. С начала нового тысячелетия, начался именно такой период, и можно полагать, что мы, вступили в новый длительный минимум, который будет продолжаться, несколько десятилетий. В текущем 24-ом и последующих 2-3 циклах солнечной активности среднегодовые значения, числа солнечных пятен будут низким,и, Ягтах < (50 — 70).
Ключевые слова: солнечная активность, солнечные пятна, прогноз солнечной активности.
Введение. Одной из важных характеристик солнечной активности является существование ~11-летнего цикла в числе солнечных пятен или их групп, в потоке солнечного радиоизлучения на длине волны А = 10.8 см, и в ряде других параметров солнечной активности. В данной работе мы будем анализировать число солнечных пятен Кх (число
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государ-
ственного университета им. М.В. Ломоносова.
Вольфа) или их групп п В течение ^11-летнего цикла число пятен на Солнце меняется от почти полного их отсутствия в начале цикла до максимальной величины в середине цикла, которая в конце цикла опять уменьшается до минимума. В качестве примера на рис. 1 показаны среднегодовые значения чисел Вольфа Яг за последи ие ^400 лет [1, 2]. Видно, что более 300 лет на Солнце наблюдалась ^11-летняя цикличность в изменении Яг. Если использовать ряд Шове, который восстанавливает уровень солнечной активности более чем за 2500-летний период, то эта цикличность имела место и в далеком прошлом [3]. Однако в период с 1645 г. по 1715 г. цикличность нарушилась, и пятна на Солнце практически не наблюдались в течение почти 70 лет. Возможно, что ^11-летний цикл существовал, но его амплитуда была очень низкой и пятна наблюдались в очень небольшом количестве. Этот период называется Маундеровским минимумом солнечной активности [4]. Низкие значения Яг наблюдались в минимуме Дальтона (1790-1835 гг.). Начиная с 1000 г. по настоящее время, выявлены 5 продолжительных минимумов солнечной активности с низким числом солнечных пятен (см. табл. 1) [4]. Причина появления продолжительных минимумов солнечной активности неизвестна.
200 175
0 I ■ ■ ■»■*Г1*1 ! ■ * *' ' 1 I ' ■ ' ■ I у *' ■ I ■ ' ■ ' I я' ' ' I ' 1 ' 1 м
1600 1700 1800 1900 2000
Год
Рис. 1: Временной ход среднегодовых значений числа солнечных пятен Яг с 1610 г. по 2011 г. [1, 2]. Значительное уменьшение Яг наблюдается в период Маундеровского минимума (1645-1715 гг.) и минимума Дальтона (1790-1835 гг.).
Таблица 1
Длительные минимумы солнечной активности [4]
Название минимума Период минимума (годы)
минимум Оорта (О) -1050
минимум Вольфа (\¥) 1280 1340
минимум Шперера (Э) 1420 1530
минимум Маундера (М) 1645 1715
минимум Дальтона (Б) 1790 1835
новый минимум (X) 2005 (2040?)
С большой степенью вероятности в последние годы мы вступили в период нового длительного минимума солнечной активности [5]. Основанием для такого вывода яв~ ляется и существование корреляционной связи длительных аномально низких уровней солнечной активности (числа солнечных пятен Кх) с экстремальными значениями расстоянии между центром Оолнца и центром масс солнечной системы [6, 7]. Обсуждение этой связи дано ниже.
Связь продолжительности минимумов солнечной активности с максимальным числом Яг. Примем за продолжительность минимума солнечной активности период времени, когда среднегодовое число солнечных пятен Кх было меньше или равно 20, Агт[П(Яг < 20). Известно, что каждый новый 11-летний цикл солнечной активности начинается с образования пят6н нс1 высоких гелиоширот&х ^ & (25° — 35°). В это же время существуют и пятна старого цикла, которые образуются на низких гелиотттиротах & (8° — 15°). В соответствии с законом Хейла биполярные группы пятен нового цикла имеют противоположные направления магнитных полей по сравнению с биполярными структурами пятен старого цикла. Какое-то время пятна нового цикла, образуемые на высоких гелиотттиротах, и пятна старого цикла, образуемые на низких гелиотттиротах, наблюдаются одновременно. Поэтому период минимума солнечной активности, определенный выше^ включает в себя последние годы предыдущего циклах и первые годы нового цикла.
Нами были проанализированы солнечные циклы, начиная с 1700 г. по настоящее время. В табл. 2 приведены длительности минимумов солнечной активности, когда среднегодовые значения Кх < 20, и следующие за минимумами максимальные значения Яг.
Таблица 2
Периоды минимума солнечной активности (Кг < 20), длительности периодов минимумов, год максимума солнечной активности и величина Кхтэ,х, временной интервал между годами максимума и минимума солнечной активности (Аг) [2]
Годы минимума Armin (Rz < 20), ГОД С Rzmax Rz max At, годы
1708 1714 7 1717 63 6
1723 1 1727 122 4
1732 1734 3 1738 111 5
1743 1745 3 1750 83.4 6
1754 1756 3 1761 85.9 6
1766 1 1769 106.1 3
1775 1776 1 1778 154.4 3
1784 1 1787 132 3
1796 1800 5 1804 47.5 6
1807 1814 8 1816 45.8 6
1820 1825 6 1830 70.9 7
1833 1834 2 1837 138.3 4
1843 1844 2 1848 124.7 5
1855 1856 2 1860 95.8 4
1866 1867 2 1870 139 3
1875 1979 5 1884 63.5 5
1887 1890 4 1893 85.1 5
1899 1902 4 1905 63.5 4
1910 1914 5 1917 103.9 4
1922 1924 3 1928 77.8 4
1932 1934 3 1937 114.4 5
1943 1944 2 1947 151.6 4
1953 1954 2 1957 190.2 3
1964 1965 2 1969 105.5 4
1975 1976 2 1980 154.6 3
1985 1986 2 1989 157.6 3
1995 1996 2 2000 119.6 4
2006 2010 5 2011
Из данных табл. 2 можно найти связь между длительностью минимума солнечной активности Дтт1П (Я^ < 20) и интервалом времени между минимумом и максимумом солнечной активности Дт (рис. 2).
А1тт(^<20),год
Рис. 2: Зависимость между длительностью минимума солнечной активности Дттш(Яг < 20) и интервалом времени между минимумом и последующим мак-
Дт
наименьших квадратов. Дт = 0.470 • Дтт1П + 2.943. Коэффициент корреляции равен г = 0.72 ± 0.12.
На рис. 3 приведена зависимость между величинами Дтт1П (Яг < 20) и Ягтах, взятыми из табл. 2. Эта зависимость имеет вид Ягтах = 168.6 • ехр(—0.16Дтт1П) с коэффициентом корреляции г = 0.80 ± 0.08.
Используя приведенные выше зависимости, можно найти ожидаемое значение Ягтах и год, когда должен наступить максимум солнечной активности в 24-ом солнечном цикле: среднегодовая величина Ягтах ~ 75 ожидается в (2012-2013) гг.
О связи длительных минимумов солнечной активности с расстоянием между центром Солнца и центром масс солнечной системы. На рис. 4 показан расчет зависимости от времени расстояния р между центром масс солнечной системы и центром Солнца.
Как видно из рис. 4, длительные периоды низкой солнечной активности (показаны горизонтальными отрезками и обозначены буквами согласно табл. 1) наблюдаются
р
1000
Ю-1-.-.-.-1-.-.-.-1-.-.
0 2 4 6 8 10
(^20), год
Рис. 3: Зависимость между длительностью минимума солнечной активности Аттп (Яг < 20) и максимумом солнечной активности тах. Прямая проведена методом наименьших квадратов.
достигает экстремумов (максимальных и минимальных значений р). Исключением является минимум Оорта (^1050 г.), который согласно данной схеме должен был быть ^ в 1100-1150 гг. Вполне возможно, что восстановленные данные по солнечной активности за период 1000-летней давности содержат в себе неточности.
Буквой N обозначен новый длительный период низкой солнечной активности, который начался в 2006 г. и будет продолжаться еще несколько десятилетий [5-7]. Следующий за современным минимумом солнечной активности длительный период с низкими значениями будет наблюдаться во второй половине 22-го века.
Прогноз солнечной активности на ближайшие годы. Возможное развитие текущего длительного минимума солнечной активности будет проходить по сценарию минимума Дальтона (1790-1835). В 2008 г. в работе [5] был дан прогноз развития цикла солнечной активности на ближайшие 11 лет. В данной работе на рис. 5 дается прогноз развития солнечной активности до ^2045 г. На этом же рисунке показаны среднегодовые значения числа солнечных пятен Яг в предыдущем 23-ем цикле солнечной активности и значения полученные за последние 5 лет в текущем 24-ом цикле. Наблюдается вполне удовлетворительное согласие наблюдательных данных с прогнозируемыми величинами.
Рис. 4: Рассчитанные зависимости от времени расстояния р между центром масс
солнечной системы и центром Солнца. Пунктирные прямые отделяют максимальные
р
периоды низкой солнечной активности согласно табл. 1: О - минимум Оорта (~1050)у ]¥ - минимум Вольфа (1280-1340), 8 - минимум Шперера (1420-1530^, М - минимум Маундера (1645-1715), Б - минимум Дальтона (1790-1835^, N - новый минимум 2005 2040
Обсуждение результатов. В предыдущем разделе было показано, что ожидается продолжительный период низкой солнечной активности. На возможность возникновения длительного периода низкой солнечной активности в начале 21-го века было указано в работах [8, 9]. Этот период будет продолжаться 2-3 солнечных цикла, каждый их которых будет иметь низкое значение Rzmax, равное 50-75.
В последние месяцы 2011 г. солнечная активность достигла одного из своих максимумов. Этот вывод подтверждается данными, представленными на рис. 6. В максимуме солнечной активности группы пятен располагаются в интервале гелиоширот р = 13° — 20о. В конце 2011 г. средняя гелиоширота групп пятен равна р ж 17°. В последующие два года величина р будет уменьшаться до р ж 14°. Вполне возможно, что при этом уровень солнечной активности будет флуктуировать около значения, наблюдаемого в настоящее время: Rzmax ж (50 — 70), число групп солнечных пятен будет равно (рис. 6). Такое поведение солнечной активности наблюдалось в предшествующих (20-23) солнечных циклах. Существенное отличие настоящего цикла от предыду-
Год
Рис. 5: Временная зависимость среднегодовых чисел солнечных пятен Яг в 23-ем и 24-ом циклах солнечной активности (сплошная кривая и темные точки) [7]. Пунктирная кривая и открытые кружки - прогноз солнечной активности до ^2045 г. (см. также [7]).
щих состоит в том, что в 20-23 солнечных циклах уровень солнечной активности был в несколько раз выше, чем современный уровень.
Интересным является следующий факт. Известно, что в Маундеровском минимуме солнечной активности (1645-1715 гг.) температура на Земле снизилась на °С и имел место "малый ледниковый период" [4, 11]. Согласно прогнозу, сделанному в [12], в ближайшие десятилетия также ожидается глобальное похолодание климата на Земле, что совпадает с предстоящим длительным минимумом солнечной активности.
Заключение. Найдено, что длительные периоды низкой солнечной активности наблюдаются тогда, когда расстояние между центром Солнца и центром масс солнечной системы достигает экстремальных значений. В последнее десятилетие мы находимся в начале длительного периода низкой солнечной активности, наподобие минимума Дальтона. Продолжительность этого периода может составить несколько десятков лет (два-три 11-летних цикла солнечной активности). В этих циклах максимальное число солнечных пятен будет небольшим (среднегодовая величина Яг ж 50 — 75).
В ноябре-декабре 2011 г. солнечная активность достигла своего максимума (среднегодовое значение Яг ж 60). В феврале 2012 г. число солнечных пятен существенно снизилось (Яг ж 35). В течение последующих лет величина солнечной активности будет флуктуировать около значений Яг ж 50.
Рис. 6: Средняя гелиоширота групп солнечных пятен в зависимости от их числа в период начала цикла, фазы его максимума и в начале спада солнечной активности [10]. Показаны данные для 22-го солнечного цикла (сплошные кружки), для 23-го солнечного цикла (открытые кружки) и для текущего 24-го солнечного цикла (темные треугольники). Среднемесячные значения чисел групп солнечных пятен и их гелиоширот были сглажены по 5 точкам. Увеличенные значки соответствуют датам, показанным на рисунке.
Работа была поддержана грантами РФФИ (10-02-00326 и 10-02-10007-к) и программой Президиума РАН "Фундаментальные свойства материи и астрофизика" (подпрограмма "Физика космических лучей", проект "Космические лучи в гелиосферных процессах по наземным и стратосферным наблюдениям").
ЛИТЕРАТУРА
[1] Douglas V. Vogt, Kenneth Н. Shatten, Solar Physics 179, No. 1, 189 (1998).
[2] http://sidc.oma.be/index.php3; http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/index.html
[3] D.J. Shove, J. of Geophys. Res. 60(2), 127 (1955).
[4] John A. Eddy, Scientific American 236(5), 80 (1977).
[5] Y. Stozhkov. Modulation of the Cosmic Ray flux in the beginning of the 24-th solar-activity cycle. Proceedings of the International Symposium FORGES 2008, Yerevan, Armenia (Yerevan Univ.. Yerevan. 2009), стр. 12.
[6] К). И. Стожков. В. И. Ермаков. В. П. Охлопков. Солнечная активность в насто-ятцем и ближайшем будущем. Рабочее совещание "Циклы активности на Солнце и звездах . ГАИШ МГУ. 18-19 декабря 2009. Труды рабочего совещания (Санкт-Петербург. 2009), стр. 263.
[7] В. П. Охлопков. К). И. Стожков. Изв. РАН. сер. физ. 75(6), 911 (2011).
[8] Б. П. Комитов. В. И. Кафтан. Геомагнетизм и аэрономия 43(5), 592 (2003).
[9] В. И. Козлов. Наука и техника в Якутии. Л"2 1(10). 51 (2006). [10] http://solarscience.msfc.nasa.gov/greenwch.shtm
ftp://ftp.ncdc. noaa.gov/pub/dat а/ anomalies/monthly.land_ocean.90S.90N.df_ 1901-2000mean.dat
[12] В. И. Ермаков. В. П. Охлопков. К). И. Стожков. Краткие сообщения по физике ФИАН, № 3, 41 (2006).
Поступила в редакцию 28 февраля 2012 г.
