Изображение предоставлено: Pixabay/CC0 Public Domain
Согласно новому исследованию, проведенному Национальным центром атмосферных исследований Национального научного фонда США (NSF NCAR), Солнце, как и Земля, вероятно, имеет закрученные полярные вихри. Но в отличие от Земли, образование и развитие этих вихрей обусловлено магнитными полями.
Результаты, опубликованные в Трудах Национальной академии наук, имеют значение для нашего фундаментального понимания солнечного магнетизма и солнечного цикла, что, в свою очередь, может улучшить нашу способность прогнозировать разрушительную космическую погоду.
Новое исследование также рисует картину того, что мы можем ожидать увидеть на солнечных полюсах в будущих миссиях к Солнцу, предоставляя информацию, которая может быть полезна при планировании сроков таких миссий.
«Никто не может с уверенностью сказать, что происходит на солнечных полюсах», — сказал Маусуми Дикпати, старший научный сотрудник NSF NCAR, возглавлявший новое исследование. «Но это новое исследование дает нам захватывающее представление о том, чего мы можем ожидать, когда впервые сможем наблюдать солнечные полюса».
Суперкомпьютерные ресурсы для исследований были доступны в системах Cheyenne и Derecho NSF NCAR.
Тайна на полюсах Солнца
Вероятное присутствие на Солнце какого-то типа полярного вихря неудивительно. Эти вращающиеся образования возникают из-за силы Кориолиса в жидкостях, окружающих вращающееся тело, и наблюдались на большинстве планет нашей солнечной системы.
На Земле вихрь высоко в атмосфере вращается вокруг северного и южного полюсов. Когда эти вихри стабильны, они задерживают холодный воздух на полюсах, но когда они ослабевают и становятся нестабильными, они позволяют холодному воздуху просачиваться к экватору, вызывая вспышки холодного воздуха в средних широтах.
Миссия НАСА «Юнона» предоставила потрясающие изображения полярных вихрей на Юпитере. Они показали восемь плотно упакованных вихрей вокруг северного полюса газового гиганта и пять вокруг его южного полюса. Полярные вихри на Сатурне, наблюдаемые космическим кораблем НАСА «Кассини», имеют шестиугольную форму на северном полюсе и более круглую на южном. Эти различия дают ученым подсказку о структуре и динамике атмосферы каждой планеты.
Полярные вихри также наблюдались на Марсе, Венере, Уране, Нептуне и спутнике Сатурна Титане, поэтому тот факт, что Солнце (также вращающееся тело, окруженное жидкостью) будет демонстрировать такие особенности, может быть в некоторой степени очевидным. Но Солнце также фундаментально отличается от планет и лун, имеющих атмосферу: плазменная «жидкость», окружающая Солнце, является магнитной.
Как этот магнетизм может влиять на формирование и эволюцию солнечных полярных вихрей – и формируются ли они вообще – остается загадкой, поскольку человечество никогда не отправляло в космос миссию, которая могла бы наблюдать за полюсами Солнца. Фактически, наши наблюдения за Солнцем ограничиваются наблюдением за его поверхностью, обращенной к Земле, и дают лишь подсказки о том, что может происходить на полюсах.
Вихревое кольцо, связанное с солнечным циклом
Поскольку мы никогда раньше не наблюдали полюса Солнца, научная группа полагалась на компьютерные модели, чтобы заполнить пробелы в том, как могут выглядеть солнечные полярные вихри. Они обнаружили, что Солнце, вероятно, на самом деле имеет уникальную структуру полярных вихрей, которая развивается в течение солнечного цикла и зависит от силы конкретного цикла.
В моделировании плотное кольцо полярных вихрей формируется примерно на 55 градусах широты — эквиваленте полярного круга Земли — в то же время, когда начинается явление, называемое «стремление к полюсам».
На пике каждого солнечного цикла магнитное поле на солнечных полюсах исчезает и заменяется магнитным полем противоположной полярности. Этому перевороту предшествует «рывок к полюсам», когда поле противоположной полярности начинает распространяться в сторону полюса, начиная примерно с 55 градусов.
После формирования вихри движутся к полюсам по сужающемуся кольцу, рассеивая вихри по мере замыкания круга, в конечном итоге оставляя только одну пару вихрей непосредственно на полюсах, прежде чем полностью исчезнуть в солнечном максимуме. Сколько вихрей образуется и как их конфигурация движется к полюсам, меняется в зависимости от силы солнечного цикла.
Эти симуляции представляют собой недостающую часть головоломки о том, как магнитное поле Солнца ведет себя вблизи полюсов, и могут помочь ответить на некоторые фундаментальные вопросы о солнечных циклах Солнца. Например, многие ученые в прошлом использовали силу магнитного поля, «текущего к полюсам», как индикатор того, насколько сильным, вероятно, будет предстоящий солнечный цикл. Но механизм того, как эти вещи могут работать вместе, не ясен.
Моделирование также предоставляет информацию, которую можно использовать для планирования будущих миссий по наблюдению за Солнцем. Результаты показывают, что некоторая форма полярного вихря должна наблюдаться во всех частях солнечного цикла, за исключением периода солнечного максимума.
«Вы можете запустить солнечную миссию, и она может прибыть совершенно в неподходящее время для наблюдения за полюсами», — сказал Скотт Макинтош, вице-президент по космическим операциям в Lynker и соавтор исследования.
Solar Orbiter, совместная миссия НАСА и Европейского космического агентства, может дать исследователям первый взгляд на солнечные полюса, но первый взгляд будет близок к солнечному максимуму. Авторы отмечают, что миссия, направленная на наблюдение за полюсами и предоставление исследователям нескольких одновременных изображений Солнца, может помочь им ответить на многие давние вопросы о магнитных полях Солнца.
«Наш концептуальный предел сейчас заключается в том, что мы действуем только с одной точки зрения», — сказал Макинтош. «Чтобы добиться значительного прогресса, нам нужны наблюдения, необходимые для проверки наших гипотез и подтверждения правильности подобных симуляций».
Информация от: Национальным центром атмосферных исследований.
