ВПОРУ ГОТОВИТЬСЯ К ХОЛОДАМ

Почему может наступить «ледниковый мини-период» и как удалось спрогнозировать такое явление на 15 лет вперёд, рассказала принимающая участие в исследовании старший научный сотрудник НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУ им. Ломоносова, 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 [1] 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 XVII 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.

Опубликовано на сайте НИИЯФ МГУ 15 июля 2015 года. 

[1] Исследование проводит профессор математики университета Нортумбрии (Ньюкасл, Великобритания) Валентина Жаркова совместно с соавторами — Еленой Поповой, Сергеем Жарковым (университет Халла, Великобритания) и Саймоном Шепердом (университет Брэдфорда, Великобритания). В октябре 2015 г. в «Научных докладах» журнала Nature была опубликована их совместная статья на эту тему — https://www.nature.com/articles/srep15689.pdf, которая вызвала небывалый отклик по всему миру. Как сообщила нам Валентина Жаркова, вскоре выйдет очередная научная статья этого маленького коллектива о влиянии на температуру Земли самой орбиты Земли, наклона земной оси и прецессий этой оси (Циклы Миланковича) и других орбитальных движений Солнца и планет.