Солнечный ветер упал «ниже плинтуса»
Группа сотрудников ИКИ РАН под руководством Юрия Ермолаева проанализировала параметры солнечного ветра на протяжении четырех солнечных циклов, с 21 по 24. По измерениям солнечного ветра получены прямые свидетельства уменьшения солнечной активности в 23 и в только что закончившемся 24 солнечных циклах, ранее обнаруженные на Солнце дистанционными методами. При этом неожиданно стало понятно, что интенсивность даже спокойного солнечного ветра снизилась по сравнению с началом космической эры. Статья с результатами исследования опубликована в Journal of Geophysical Research: Space Physics.
В конце 2020 года было «официально» объявлено о начале нового, 25 цикла солнечной активности, то есть сейчас мы находимся в фазе её подъёма. Однако последние два десятилетия, то есть с начала XXI века, ученые активно обсуждают обнаруженное астрономическими методами (например, по числу солнечных пятен) общее уменьшение активности Солнца, так называемый «Гранд минимум».
Дело в том, что максимумы последних 23 и 24 11-летних циклов солнечной активности (т.н. «циклы Швабе») оказались значительно ниже, чем в предыдущих солнечных циклах. Часть исследователей считает, что мы вступили в период сравнительно неглубокого минимума «векового цикла» (т.н. «цикл Гляйсберга» длительностью 70–100 лет). Другие же полагают, что наступает второй грандиозный минимум, сходный с «минимумом Маундера» (1645–1715 гг.), когда зимой в Англии замерзала Темза, а голландцы катались по замерзшим каналам на коньках.
Снижение солнечной активности, которое происходит в последние два десятилетия, проявилось и на Земле в эффектах «космической погоды». Например, частота и сила магнитных бурь упали в несколько раз по сравнению со второй половиной XX века.
Ключевое значение в эффектах космической погоды играет солнечный ветер — поток плазмы солнечной короны, включающий электроны, протоны и другие малые ионные составляющие, который переносит возмущения от Солнца к Земле.
Согласно современным представлениям, такие параметры солнечного ветра как скорость, плотность, магнитное поле достигают не зависящих от времени минимальных значений на фазе минимума солнечного цикла, а ближе к максимуму цикла увеличиваются за счет возрастания числа возмущенных явлений солнечного ветра, связанных с солнечной активностью.
I) квазистационарные типы:
1 — медленные потоки от корональных стримеров (SLOW),
2 — быстрые потоки из корональных дыр (FAST);
II) возмущенные типы:
3 — сжатые плазменные образования: (a) CIR, Corotating Interaction Region — область сжатия между быстрым потоком из корональной дыры и предшествующим медленным потоком из коронального стримера, и (b) так называемый Sheath («оболочка») — область сжатия перед передней кромкой «поршня»),
4 — «поршни»: (a) магнитное облако (MC, magnetic cloud) и (b) так называемые Ejecta («выбросы»).
(с) Рисунок ИКИ РАН
Минимальные значения параметров с «выключенной солнечной активностью» в англоязычной научной литературе принято называть термином «floor», что дословно переводится, как «пол» или «уровень пола». В русском языке более привычно звучит ненаучный термин «уровень плинтуса». Например, оценка «уровня плинтуса» межпланетного магнитного поля за прошлое столетие составляет около 4,6 нанотесла (нТл).
Параметры межпланетной среды измеряют космические аппараты, и измеренные значения заносятся в каталоги, в частности, в хорошо известный исследователям каталог OMNI NASA, который включает измерения параметров межпланетной среды возле Земли с 1963 г. до настоящего времени. Но до настоящего момента эти данные не были распределены по типам явлений в солнечном ветре. Поэтому не было надежных количественных оценок изменения параметров солнечного ветра.
В Институте космических исследований РАН на протяжении более 10 лет создавался «Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра». Он охватывает период с 1976 года по настоящее время, что совпадает с 21–24 циклами солнечной активности. Его основной отличительной чертой является то, что в нем определен тип солнечного ветра для каждой точки каталога OMNI NASA.
В недавней статье, опубликованной в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics, группа сотрудников ИКИ РАН под руководством Юрия Ермолаева проанализировала параметры солнечного ветра с учетом всех факторов: типа явления солнечного ветра, фазы солнечного цикла и номера солнечного цикла. В итоге исследователи получили количественные результаты об изменении параметров солнечного ветра на протяжении четырех последних солнечных циклов с учетом наблюдений различных типов «спокойного» и возмущенного солнечного ветра.
Основной результат работы — по измерениям солнечного ветра получены прямые свидетельства уменьшения солнечной активности в 23 и последующем 24 солнечных циклах, ранее обнаруженные в солнечных данных дистанционными методами.
В частности, в работе было показано что во время минимума между 22 и 23 циклами величины почти всех параметров (за исключением скорости) солнечного ветра и магнитного поля уменьшились на 20–40% и сохранились низкими в 23 и 24 циклах.
При этом значения ряда параметров упали «ниже плинтуса», например, относительное содержание ионов гелия упало в 1.5 раза. Примесь гелия и более тяжелых ионов в солнечном ветре (на 96% состоящем их протонов — ионов водорода) определяется базовыми процессами нагрева короны Солнца. Вариация ионного состава говорит о том, что наблюдаемое снижение солнечной активности — это не просто уменьшение числа солнечных вспышек, но и существенное изменение общего состояния короны. Такой вывод требует пересмотра наших представлений о физике формирования солнечного ветра.
«Солнечный ветер распространяется от Солнца до Земли за 3–5 суток, но при изучении свойств солнечного ветра на интервалах порядка солнечных циклов данные усредняются на масштабах месяцев или лет. Если говорить образно, то в результате такого усреднения мы имеем дело с «компотом», у которого в ходе солнечного цикла просто меняется соотношение компонент, или явлений: каких-то компонент становится побольше, каких-то — поменьше, но ранее предполагалось, что сами компоненты не зависят от времени, — поясняет Юрий Ермолаев, руководитель группы исследований солнечного ветра отдела физики космической плазмы ИКИ РАН. — Но в действительности все оказалось сложнее. В 23 и 24 циклах по сравнению с предыдущими изменились сами компоненты! Развивая тот же образ, можно сказать, что, пока мы с помощью нашего каталога не разобрали «компот» на его составные части, было невозможно понять, с какими причинами связана экспериментально полученная величина. Теперь, я надеюсь, мы с этим разобрались и поняли, что изменилось не только соотношение между компонентами (в принципе, это качественно было известно ранее), но и изменились сами компоненты. И это является открытием, которое противоречит общепринятой точке зрения о том, что компоненты не зависят от времени. Этот факт требует пересмотра условий в солнечной короне, где образуется солнечный ветер, так как, согласно нашим оценкам, в настоящее время поток массы и энергии в солнечном ветре упал почти в полтора раза по сравнению с концом прошлого века».
Дополнительная информация
Yermolaev, Y. I., Lodkina, I. G., Khokhlachev, A. A., Yermolaev, M. Y., Riazantseva, M. O., Rakhmanova, L.S., et al. (2021). Drop of solar wind at the end of the 20th century Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, 9, e2021JA029618