Физика солнечных пятен: больше, чем поверхностные блемы

Солнечные пятна являются переходными особенностями в фотосфере Солнца, которые выглядят как темные, нерегулярные пятна. Их темнота - иллюзия контраста: типичное солнечное пятно все еще интенсивно яркое, но оно кажется темным рядом с окружающей, даже более яркой фотосферой, потому что оно примерно на 1500-2000 ° C холоднее (примерно 3800 ° C по сравнению с 5500 ° C). Эта разница температур возникает из-за того, что сильные магнитные поля - часто в тысячи раз сильнее, чем магнитное поле Земли - возникают из недр Солнца и ингибируют конвективное стукивание, которое обычно приносит горячую плазму на поверхность. Результат - локализованная область, где транспорт тепла подавляется, создавая более холодное, более темное пятно.

Полностью развитое солнечное пятно состоит из двух частей: темной центральной умбры и более легкой, нитевидной пенумбры, окружающей его. Солнечные пятна варьируются в размерах от нескольких сотен километров до десятков диаметров Земли. Они никогда не являются постоянными; отдельные пятна длятся от часов до нескольких месяцев, прежде чем магнитная активность стихает и функция рассеивается.

Понимание солнечных пятен — это не просто упражнение в солнечной физике. Поскольку они являются наиболее заметными маркерами солнечной магнитной активности, их частота и распределение обеспечивают прямую запись изменений в выходе энергии Солнца. Общее солнечное излучение (TSI) — количество солнечного излучения, достигающее верхней части атмосферы Земли — изменяется примерно на 0,1% в течение солнечного цикла, но это небольшое колебание может оказывать измеримое влияние на атмосферу и климатическую систему Земли при интеграции в течение десятилетий или столетий.

Наблюдения солнечных пятен восходят к древним китайским астрономам, но систематические записи начались с изобретения телескопа в начале 1600-х годов.Сегодня сеть наземных обсерваторий и космических приборов постоянно отслеживает количество солнечных пятен, площадь и магнитные свойства, подавая данные в модели, которые помогают ученым распутывать солнечное влияние от других климатических факторов.

11-летний солнечный цикл и его фазы

Солнечные пятна появляются не случайно. Они следуют хорошо охарактеризованному ~11-летнему циклу, впервые идентифицированному в середине 19-го века швейцарским астрономом Рудольфом Вольфом. Цикл приводится в действие магнитным динамо Солнца: по мере вращения Солнца его дифференциальное вращение (быстрее на экваторе, чем полюса) приводит к вращению линий магнитного поля, в конечном итоге заставляя их проникать на поверхность и производить солнечные пятна. В течение цикла магнитная полярность переворачивается, поэтому полный магнитный цикл на самом деле ~22 года.

Солнечный цикл имеет две различные фазы:

  • Солнечный максимум:] Когда число солнечных пятен достигает пика, Солнце излучает немного больше ультрафиолетового излучения и рентгеновских лучей. Солнечная корона становится более активной, и вспышки и выбросы корональной массы происходят часто. Эта фаза обычно длится 2-4 года.
  • Солнечный минимум: Количество солнечных пятен падает до нуля или около нуля. Солнце тише, а общее излучение немного падает. Солнечный минимум иногда может сохраняться дольше, чем в среднем, как это произошло во время минимума Маундера (1645-1715) и минимума Далтона (1790-1830).

Переход между максимумами и минимумами не является плавным; циклы различаются по амплитуде. Например, цикл 24 (2008–2019) был особенно слабым, с пиковым числом солнечных пятен примерно вдвое меньше, чем цикл 21 (1976–1986). Ожидается, что текущий цикл 25 также будет скромным, хотя прогнозы остаются неопределенными. Эта внутренняя изменчивость делает связь активности солнечных пятен с климатом Земли одновременно увлекательной и сложной.

Механизмы, связывающие солнечные пятна с климатом Земли

Прямое влияние солнечных пятен на климат часто неправильно понято. Сами солнечные пятна, будучи более холодными, на самом деле уменьшают локальное излучение видимого света, но магнитная активность, которая их создает, также генерирует яркие факулы (яркие пятна) в фотосфере и хромосфере. Общий эффект в течение солнечного цикла заключается в том, что изменения балансируют, приводя к небольшому чистому увеличению общего солнечного излучения во время солнечных максимумов. Это крошечное изменение (~0,1%) само по себе недостаточно для стимулирования крупных климатических сдвигов. Тем не менее исторические корреляции, такие как совпадение минимума Маундера с малым ледниковым периодом, предполагают связь, которая должна включать механизмы усиления.

Верхний-вниз против нижнего-вверх пути

Ученые определили два основных пути, по которым изменчивость солнечной энергии может влиять на климат:

  • Механизм сжатия: Повышенное солнечное ультрафиолетовое излучение во время солнечных максимумов поглощается стратосферным озоном, нагревая верхнюю стратосферу. Это изменяет температурный градиент и характер ветра в стратосфере, что, в свою очередь, может влиять на тропосферный струйный поток и погодные условия. Этот процесс может привести к сдвигам в региональном климате, особенно в Северной Атлантике и Европе.
  • Механизм снизу вверх: изменения солнечного излучения, даже небольшие, могут влиять на температуру поверхности моря (SST) в тропической части Тихого океана. Некоторые модели предполагают, что солнечные изменения могут модулировать Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) или создавать долгосрочный «солнечный след» в тропических моделях SST. Более теплые SST затем влияют на атмосферную циркуляцию и осадки.

Кроме того, некоторые исследователи предполагают, что солнечная активность может влиять на облачный покров путем модуляции потока космических лучей. Идея заключается в том, что меньшее количество солнечных пятен (более слабое солнечное магнитное поле) позволяет большему количеству галактических космических лучей достигать Земли, что может усилить формирование низковысотных облаков и увеличить планетарное альбедо, что приводит к охлаждению. Эта гипотеза остается спорной, поскольку наблюдательные данные неоднозначны, а облачная микрофизика сложна. Тем не менее, она представляет собой активную область исследований со значительными последствиями для понимания роли Солнца в изменении климата .

Исторические перспективы: минимум Маундера и малый ледниковый период

Наиболее часто приводимый пример корреляции солнечных пятен и климата — это минимум Маундера (1645-1715), период, когда число солнечных пятен упало почти до нуля в течение семи десятилетий. Это совпало с самой холодной частью Малого ледникового периода (примерно 1300-1850), особенно в Европе и Северной Америке. Реки, которые редко замерзали, как Темза в Лондоне, регулярно замерзали, и Альпийские ледники продвинулись. Совпадение кажется убедительным, но корреляция не равна причинности.

Многочисленные реконструкции палеоклимата показывают, что Малый ледниковый период был глобальным событием, а не только европейским явлением, и его причины, вероятно, были множественными: извержения вулканов (которые вводят отражающие сульфатные аэрозоли в стратосферу), снижение солнечной выработки и изменения циркуляции океана (например, замедление Атлантической меридиональной циркуляции). Минимум Маундера мог способствовать дополнительному охлаждению около 0,1-0,3 ° C во всем мире, наложенному на десятилетнюю изменчивость масштаба, вызванную вулканизмом и внутренней динамикой. Недавний обзор в ] Природная геонаука ] предполагает, что роль солнечного воздействия в течение Малого ледникового периода, возможно, была меньше, чем считалось ранее, с извержениями вулканов, играющими большую роль в управлении моделью охлаждения в столетнем масштабе.

Другие солнечные грандиозные минимумы, такие как минимум Сперера (1460-1550) и минимум Далтона, также соответствовали более холодным периодам в Европе и Азии, хотя и с менее резкими изменениями температуры. Эти события продолжают обеспечивать естественные лаборатории для тестирования климатических моделей на основе косвенных данных, включая кольца деревьев, ледяные керны и исторические записи о количестве солнечных пятен.

Солнечные пятна в контексте: естественное против антропогенного воздействия

Хотя солнечные пятна и изменчивость Солнца, несомненно, повлияли на климат в столетних временных масштабах, их вклад в быстрое потепление, наблюдаемое с середины 20-го века, ничтожен.Множественные линии доказательств подтверждают, что Солнце не может объяснить недавнее потепление:

  • Измерения солнечного излучения со спутников с 1978 года не показывают долгосрочной восходящей тенденции, которая могла бы объяснить наблюдаемый с 1880 года рост глобальной температуры на 0,9 °C. Фактически, с 1970-х годов Солнце находилось в периоде умеренно высокой активности с последующим небольшим снижением, в то время как глобальные температуры продолжали расти.
  • Климатические модели, включающие только солнечное и вулканическое воздействие, не воспроизводят наблюдаемую картину потепления за последние 50 лет. Только когда включены антропогенные парниковые газы и аэрозоли, моделирование соответствует наблюдениям.
  • Охлаждение верхних слоев атмосферы (стратосферы) является следствием потепления парниковых газов, а не солнечного воздействия. Если бы Солнце было ответственным, стратосфера нагревалась бы, но на самом деле она охлаждается.

Это не означает, что исследования солнечных пятен не имеют отношения к климатической политике. Понимание солнечного воздействия помогает улучшить климатические модели и снижает неопределенность в приписывании прошлых изменений климата. Отделяя естественные изменения от антропогенных, политики могут принимать более обоснованные решения о стратегиях смягчения последствий. Например, некоторые климатические скептики утверждают, что недавний солнечный минимум (2008-2010) должен был вызвать похолодание, но записи показывают, что каждое из последних трех десятилетий было теплее, чем предыдущее. Демонстрация различия солнечного климата имеет важное значение для коммуникации реальности антропогенного изменения климата .

Региональные климатические воздействия и модели солнечных пятен

Хотя глобальный температурный эффект солнечных циклов невелик, региональные воздействия могут быть более выраженными. Исследования показывают, что во время солнечных максимумов Североатлантическое колебание (НАО) имеет тенденцию смещаться в сторону более позитивной фазы, принося более мягкие зимы в северную Европу и более холодные, более сухие зимы в южную Европу. И наоборот, солнечные минимумы связаны с более негативными НАО, благоприятствуя холодным зимам в северной Европе и более влажным условиям в Средиземноморье.

Аналогичным образом, солнечное воздействие может влиять на индийский муссон, причем некоторые реконструкции показывают увеличение количества осадков в периоды более высокой солнечной активности и засухи во время длительных солнечных минимумов. Анализ 2019 года, опубликованный в Геофизические исследования Письма , обнаружил статистически значимую связь между солнечным циклом и силой муссона за последнее тысячелетие, хотя эффект меньше, чем у извержений вулканов и Атлантического многовекового колебания.

Эти региональные телесоединения опосредованы нисходящим стратосферным путем: ультрафиолетовые изменения изменяют концентрации озона, которые изменяют силу и положение полярного вихря и субтропической струи. Результатом является модуляция траекторий штормов и осадков, которые, хотя и скромны, обнаруживаются в долгосрочных инструментальных и косвенных записях. Такие результаты подчеркивают важность полного понимания изменчивости, обусловленной солнечными пятнами, для сезонного и десятилетнего прогнозирования климата, особенно в таких регионах, как Европа и Южная Азия, которые чувствительны к изменениям атмосферной циркуляции.

Современное наблюдение и моделирование активности солнечных пятен

Сегодня исследователи имеют арсенал инструментов для мониторинга солнечных пятен и солнечной изменчивости с беспрецедентной точностью. Солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO), Обсерватория солнечной динамики (SDO) и солнечный орбитальный аппарат обеспечивают непрерывные многоспектральные наблюдения солнечных пятен, магнитных полей и излучения. Центр прогнозирования космической погоды NOAA использует эти данные для прогнозирования солнечного цикла, в то время как климатологи включают измерения в модели системы Земли.

Прокси-записи расширяют запись солнечного пятна на тысячи лет, используя космогенные изотопы, такие как углерод-14 и бериллий-10, которые производятся в атмосфере Земли космическими лучами и модулируются солнечной магнитной активностью. Эти изотопы позволяют реконструировать уровни солнечного пятна в дотелескопические эпохи, давая более длинный контекст для оценки редкости или частоты событий, таких как минимум Маундера. В сочетании с данными ледяного керна о вулканических извержениях эти прокси-записи помогают распутать различные естественные факторы доиндустриальной изменчивости климата.

Климатические модели (модели общей циркуляции с интерактивной химией) теперь включают в себя реалистичное солнечное воздействие, что позволяет исследователям проверить относительный вклад солнечного воздействия против вулканического воздействия против воздействия парниковых газов. Результатом является гораздо более тонкая картина: солнечное воздействие на солнечные пятна является вторичным естественным фактором, но он должен учитываться при оценке реакции климатической системы на внешние возмущения, особенно на десятилетних к столетнему периоду времени.

Будущие направления исследований и открытые вопросы

Несмотря на десятилетия исследований, несколько ключевых вопросов остаются без ответа:

  • Почему происходят большие солнечные минимумы?] Минимум Маундера не был уникальным, но механизм, который заставляет Солнце входить в длительный период низкой активности, до конца не понятен. Текущие модели солнечного динамо пока не могут достоверно предсказать, когда произойдет следующий большой минимум или как долго он может длиться.
  • Насколько велико региональное воздействие солнечного воздействия? Хотя глобальный сигнал невелик, модели расходятся во мнениях по силе региональных ответов. Улучшение представления стратосферного пути и обратной связи облаков является приоритетом.
  • Может ли солнечное воздействие влиять на поглощение тепла в океане? Некоторые исследования показывают, что солнечные минимумы могут увеличить накопление тепла в океане в глубине океана, что приводит к задержке реакции климата. Это может иметь последствия для многодекадной изменчивости и для обнаружения антропогенного потепления.
  • Какова роль частиц солнечной энергии?] Помимо полного излучения, выход частиц Солнца (частицы солнечной энергии, солнечный ветер) может влиять на химию атмосферы, особенно в полярных регионах. Эти эффекты пока не включены в большинство климатических моделей.

Для ответа на эти вопросы потребуются дальнейшие наблюдения за климатом Солнца и Земли, а также дальнейшая интеграция данных о палеоклимате с передовыми моделями.Международные коллаборации, такие как SPARC (Stratosphere-troposphere Processes And Their Role in Climate) и Всемирная программа исследований климата координируют усилия по снижению неопределенности в области воздействия солнечных лучей и их воздействия на климат.

Последствия для климатической политики и общественного понимания

Тонкое понимание солнечных пятен и изменчивости климата имеет практические последствия. Политики должны признать, что природные факторы, включая изменчивость солнечной энергии, будут продолжать модулировать климат в десятилетних временных рамках, но они не ослабляют подавляющие доказательства антропогенного потепления. Фактически, признание роли солнечной энергии может усилить аргументы политики: когда мы учитываем природные факторы, оставшееся потепление может быть объяснено только деятельностью человека.

Кроме того, сезонные и десятилетние прогнозы, которые включают солнечное воздействие, могут принести пользу таким секторам, как сельское хозяйство, управление водными ресурсами и энергетическое планирование. Например, если ожидается, что солнечный минимум повлияет на вероятность холодной европейской зимы, энергетические компании могут лучше предвидеть спрос. Такие применения подчеркивают актуальность фундаментальных солнечных исследований для практической адаптации к климату.

Общественное общение должно подчеркнуть, что солнечные пятна не являются альтернативным объяснением современного изменения климата. Вместо этого они являются частью сложной головоломки, которую ученые продолжают собирать. Взаимодействие между солнечными вариациями, извержениями вулканов, циклами океана и выбросами человека создает климат, который мы испытываем. Разделение этих сигналов является отличительной чертой надежной науки о климате.

Заключение

Солнечные пятна - это гораздо больше, чем любопытные явления на поверхности Солнца. Они являются индикаторами магнитного цикла, который тонко влияет на климат Земли, в первую очередь через изменения солнечного ультрафиолетового излучения и нисходящего стратосферного пути. Исторические данные связывают расширенные солнечные минимумы с более холодными периодами, такими как Малый ледниковый период, но величина солнечного воздействия мала по сравнению с эффектом парниковых газов. Современные исследования объединяют спутниковые наблюдения, косвенные данные и климатические модели для количественной оценки этих эффектов и улучшения предсказаний региональных климатических моделей.

Хотя роль солнечных пятен в изменчивости климата является установленным научным фактом, это также постоянная область исследования. По мере того, как записи наблюдений удлиняются и модели становятся более всеобъемлющими, наше понимание будет углубляться. На данный момент вывод ясен: солнечные пятна имеют значение, но они не являются основным фактором изменения климата, которое мы переживаем сегодня. Это признание имеет важное значение для информированной политики и для дальнейшей поддержки как солнечных, так и климатических исследований.