Раз на одинадцять років Сонце стає помітно активнішим, а потім знову повертається до спокійнішого стану. Розповідаємо, звідки береться цей ритм і чому передбачити поведінку нашої зорі досі не вдається.
Оманлива сталість нашої зорі
Щоранку Сонце сходить над обрієм так само, як і тисячу років тому. Воно здається нам незмінним. Хоча насправді його активність змінюється циклічно, приблизно кожні одинадцять років. Спершу вона наростає близько чотирьох років поспіль. Магнітне поле нашої зорі дедалі більше перекручується, рух розжареної плазми на поверхні стає бурхливішим, і, як наслідок, частішають спалахи та викиди речовини в космос. Частина з них доходить до Землі, впливає на роботу супутників, а полярні сяйва стають яскравішими й можуть бути помітними навіть у незвично низьких широтах. Потім сім років усе повільно спадає до мінімуму. І так від циклу до циклу.
Цей ритм помітили ще у XIX столітті, хоча самі плями фіксували значно раніше, а найдавніший датований малюнок зробив Йоганн Кеплер у 1607 році. Їх кількість регулярно наростала і спадала, а от причина такої поведінки залишалася невідомою майже 100 років. Вона криється в магнітному полі Сонця, яке астрономи минулого не могли дослідити без приладів, доступних нам сьогодні.
Випадкове відкриття сонячного циклу
У 1826 році німецький астроном-аматор Самуель Генріх Швабе почав полювання на невідому гіпотетичну планету, яка мала б обертатися ближче до Сонця, ніж Меркурій. Щоб не проґавити її проходження на тлі сонячного диска, він щодня замальовував усі темні плями, які бачив у телескоп. Планети не знайшов, зате накопичив записи щоденних спостережень за сімнадцять років, зроблені за однією методикою, і побачив у них закономірність. Число плям зростало і спадало з періодом приблизно в десять років. Свої висновки Самуель Генріх Швабе опублікував на початку 1840-х в астрономічному журналі Astronomische Nachrichten.
Наступний крок зробив швейцарський астроном Рудольф Вольф. Він підняв архіви обсерваторій і зібрав розрізнені спостереження аж до 1745 року, глибше в минуле систематичних записів просто не вели. На довшому ряді період уточнився до одинадцяти років. Вольф також запровадив нумерацію, якою користуються дотепер. Відлік починається з циклу, що стартував 1755 року, а той, який триває зараз, 25-й за рахунком.
Чому мірою активності стали саме плями, зрозуміло з практики тих років. Їх видно в найпростіший телескоп, а от спалахи вперше побачили лише 1859 року, викиди ж речовини навчилися фіксувати з космосу аж у 1970-х. Плями залишаються зручним показником і досі, хоча поряд із ними використовують і потік сонячного радіовипромінювання.
Звідки береться цей ритм
Плями рахували ще з часів Самуеля Генріха Швабе, але чим вони є насправді, стало зрозуміло лише 1908 року. Тоді американський астроном Джордж Еллері Гейл дослідив світло, яке надходить від плям, і виявив у ньому характерні зміни, що виникають лише в дуже сильному магнітному полі. Відтоді стало зрозуміло, що плями — це лише видима ознака, а причину циклу треба шукати у поведінці магнітного поля всередині Сонця.
А поведінка ця незвична. Поверхнею у Сонця називають фотосферу, тобто видимий шар, з якого до нас надходить світло. Складається вона з плазми, а це стан речовини, за якого атоми розпалися на іони та вільні електрони. Плазма добре проводить електричний струм, і магнітне поле рухається разом із нею, наче вморожене всередину. Цей зв’язок двобічний: потоки речовини тягнуть магнітне поле за собою, а достатньо сильне поле, навпаки, гальмує їхній рух.
Плазма тече з різною швидкістю на різних широтах. Екваторіальна зона робить повний оберт приблизно за 25 діб, приполярні широти за 36. Тобто за той самий час речовина на екваторіальних широтах встигає зробити більше обертів, ніж на приполярних. Магнітне поле Сонця спочатку тягнеться приблизно від полюса до полюса, а через різницю швидкостей поступово розвертається вздовж екватора і стає дедалі сильнішим. Цю частину механізму називають омега-ефектом.
Друга частина механізму працює одночасно з першою. У зовнішньому шарі Сонця гаряча плазма підіймається вгору, охолоджується та опускається назад, а обертання закручує ці потоки так само, як воно закручує циклони в земній атмосфері. Розвернуте поле від такого закручування поступово повертається до початкового вигляду, тільки тепер північний магнітний полюс опиняється там, де раніше був південний. Відбувається це приблизно на піку активності. Це альфа-ефект, і саме він досі викликає найбільше суперечок серед дослідників. Разом обидві частини утворюють механізм, який називають сонячним динамо.
Магнітне поле під поверхнею Сонця розподілене нерівномірно. Там, де воно найсильніше, речовина стає легшою, ніж довкола, і ця ділянка підіймається вгору разом з полем. Назовні воно виходить петлею, обидва кінці якої залишаються у глибині. Всередині такої петлі поле настільки сильне, що не пропускає гарячу плазму знизу, і поверхня в цьому місці помітно охолоджується. Що складніше й переплутаніше стає поле, то частіше петлі протилежного напрямку опиняються поруч і перез’єднуються. Надлишок накопиченої енергії при цьому вивільняється у вигляді спалахів і викидів речовини.
Ідею такого механізму висловив ірландський фізик Джозеф Лармор ще 1919 року. Але чому один такий цикл триває саме близько одинадцяти років, теорія досі не пояснює. Окремі цикли тривають від дев’яти до чотирнадцяти років, а одинадцять — це середнє значення. Наперед спрогнозувати ні тривалість наступного циклу, ні його інтенсивність поки не вдається.
Чому пляма насправді не темна
На самому Сонці найпомітнішим проявом цього механізму лишаються плями, і саме з їхньою назвою пов’язане поширене непорозуміння. Слово «пляма» наводить на думку, що це дефект або отвір, хоча йдеться про ту саму розжарену речовину, тільки холоднішу за сусідні ділянки. Фотосфера нагріта приблизно до 5500 °C, а пляма приблизно до 3500 °C. Через це речовина в ній випромінює приблизно вп’ятеро менше світла, ніж поверхня довкола, і саме на такому контрасті пляма здається темною.
Найдрібніші плями мають близько 1600 км упоперек, а найбільші сягають 160 тис., тобто приблизно у дванадцять разів перевищують діаметр Землі. Над великими скупченнями плям і виникають найпотужніші спалахи та викиди речовини. Доходять вони до нас по-різному.
Випромінювання спалаху долітає за вісім хвилин і оком не помітне, бо припадає переважно на рентгенівський та ультрафіолетовий діапазони. Але воно іонізує верхні шари атмосфери, й на освітленому боці Землі переривається короткохвильовий радіозв’язок, а супутникова навігація втрачає точність, бо сигнал проходить крізь змінену іоносферу.
Викиди речовини рухаються значно повільніше і доходять за кілька діб. Вони спричиняють магнітні бурі, а з ними — полярні сяйва, які в такі дні можна побачити значно південніше, ніж зазвичай. Через різкі зміни магнітного поля в довгих лініях електропередач виникають додаткові струми, що перевантажують трансформатори. Верхня атмосфера від бурі нагрівається і розширюється, тому супутники на низьких орбітах зустрічають щільніше середовище і швидше втрачають висоту. Заряджені частинки високих енергій до того ж пошкоджують їхню електроніку — від одиничних збоїв у пам’яті до поступової деградації сонячних панелей. У роки максимуму сонячної активності такі події трапляються значно частіше, ніж під час мінімуму.
Орієнтир, утім, приблизний. Конкретний спалах передбачити неможливо, а сильні бурі неодноразово фіксували вже у фазі спаду, коли загальна активність знижувалася.
Що відбувається із Сонцем зараз
Нинішній цикл показав, наскільки складно робити такі передбачення точними. Панель експертів Національного управління океанічних і атмосферних досліджень США (NOAA) разом із NASA у 2019 році очікувала піку в липні 2025 року, а він настав раніше, восени 2024-го. Не збіглася й сила. Прогнозний індекс активності становив 115, фактичний перевищив 160. Ці числа не дорівнюють кількості плям на диску, бо індекс враховує ще й їхні групи. А сам максимум визначають за середнім значенням протягом року, тому його точну дату називають вже після того, як пік минув.
Приблизно тоді ж змінилася полярність полюсів Сонця. За вимірюваннями японського апарата Hinode, у південній полярній ділянці це сталося, ймовірно, у жовтні 2024 року, у північній — місяцем пізніше.
Зараз активність знижується і триватиме до мінімуму, який очікують близько 2030 року. Тоді почнеться 26-й цикл, а на його піку, приблизно в середині 2030-х, полярність зміниться ще раз, і поле повернеться до того стану, який мало до 2024 року. Виходить, що одинадцять років — це проміжок між двома мінімумами сонячної активності, яку ми спостерігаємо за кількістю плям і спалахів. За цей час полюси Сонця один раз міняються місцями. Щоб вони змінилися ще раз і повернулися до попереднього розташування, потрібен ще один такий цикл. Тому повний магнітний цикл Сонця триває приблизно 22 роки.
