Новые исследования показывают, что на Солнце, вероятно, существуют закрученные полярные вихри

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Результаты исследования, опубликованные в Трудах Национальной академии наук, имеют значение для наших базовых знаний о солнечном магнетизме и солнечном цикле, что, в свою очередь, может улучшить нашу способность прогнозировать разрушительную космическую погоду.

Новое исследование также рисует картину того, что мы могли бы ожидать увидеть на солнечных полюсах во время будущих миссий к Солнцу, и предоставляет информацию, которая может быть полезна при планировании сроков таких миссий.

«Никто не может сказать наверняка, что происходит на солнечных полюсах», — сказал старший научный сотрудник NSF NCAR Маусуми Дикпати, который руководил новым исследованием. «Но это новое исследование дает нам интригующий взгляд на то, что мы могли бы ожидать найти, когда сможем впервые наблюдать солнечные полюса».

Суперкомпьютерные ресурсы для исследования были предоставлены на системах NSF NCAR Cheyenne и Derecho.

Тайна на полюсах солнца

Вероятное наличие какого-то рода полярных вихрей на солнце не является сюрпризом. Эти вращающиеся образования развиваются в жидкостях, окружающих вращающееся тело из-за силы Кориолиса, и они наблюдались на большинстве планет нашей солнечной системы.

На Земле высоко в атмосфере вокруг северного и южного полюсов вращается вихрь. Когда эти вихри стабильны, они удерживают холодный воздух на полюсах, но когда они слабеют и становятся нестабильными, они позволяют этому холодному воздуху просачиваться к экватору, вызывая выбросы холодного воздуха в средних широтах.

Полярные вихри также наблюдались на Марсе, Венере, Уране, Нептуне и спутнике Сатурна Титане, так что в некотором смысле тот факт, что солнце (также вращающееся тело, окруженное жидкостью) получит такие особенности, может быть очевиден. Но солнце также принципиально отличается от планет и лун, обладающих атмосферами: плазменная «жидкость», окружающая солнце, является магнитной.

Как этот магнетизм может влиять на формирование и эволюцию солнечных полярных вихрей — или 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 видами его лика, когда он направлен на Землю, и дают только намеки на то, что может происходить на полюсах.

Кольцо вихрей, связанное с солнечным циклом

Поскольку мы никогда не наблюдали полюсов Солнца, научная группа полагалась на компьютерные модели, чтобы заполнить пробелы в том, как могут выглядеть солнечные полярные вихри. Они обнаружили, что Солнце, вероятно, действительно имеет уникальный рисунок полярных вихрей, который развивается по мере развертывания солнечного цикла и зависит от силы любого конкретного цикла.

В ходе моделирования было установлено, что плотное кольцо полярных вихрей формируется на широте около 55 градусов — эквиваленте Полярного круга Земли — в то же самое время, когда начинается явление, называемое «стремлением к полюсам».

В максимуме каждого солнечного цикла магнитное поле на полюсах Солнца исчезает и заменяется магнитным полем противоположной полярности. Этому перевороту предшествует «рывок к полюсам», когда поле противоположной полярности начинает перемещаться примерно с 55 градусов широты в сторону полюса.

После формирования вихри направляются к полюсам в сжимающемся кольце, сбрасывая вихри по мере замыкания круга, в конечном итоге оставляя только пару вихрей, непосредственно примыкающих к полюсам, прежде чем они полностью исчезнут в солнечном максимуме. Количество образующихся вихрей и их конфигурация по мере их движения к полюсам меняются в зависимости от силы солнечного цикла.

Эти симуляции предлагают 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, в прошлом многие ученые использовали силу магнитного поля, которое «стремится к полюсам», как показатель того, насколько сильным, вероятно, будет предстоящий солнечный цикл. Но механизм того, как эти вещи могут быть связаны, если вообще связаны, неясен.

Моделирование также предлагает информацию, которая может быть использована для планирования будущих миссий по наблюдению за солнцем. А именно, результаты показывают, что некоторая форма полярных вихрей должна наблюдаться во всех частях солнечного цикла, за исключением солнечного максимума.

«Вы можете запустить миссию по наблюдению за Солнцем, и она может прибыть для наблюдения за полюсами совершенно в неподходящее время», — сказал Скотт Макинтош, вице-президент по космическим операциям компании Lynker и соавтор статьи.

Solar Orbiter, совместная миссия NASA и Европейского космического агентства, может дать исследователям первый взгляд на солнечные полюса, но первый взгляд будет близок к солнечному максимуму. Авторы отмечают, что миссия, разработанная для наблюдения за полюсами и предоставления исследователям нескольких одновременных точек обзора Солнца, может помочь им ответить на многие давние вопросы о магнитных полях Солнца.

«Наша концептуальная граница сейчас заключается в том, что мы работаем только с одной точки зрения», — сказал Макинтош. «Чтобы добиться значительного прогресса, нам нужны наблюдения, необходимые для проверки наших гипотез и подтверждения того, верны ли подобные симуляции».

Больше информации: Dikpati, Mausumi, A magnetohydrodynamic mechanism for the formation of solar polar vortices, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2415157121

Источник: National Center for Atmospheric Research