В отличие от Земли, формирование и эволюция этих вихрей обусловлены магнитными полями.
Результаты исследования имеют значение для нашего базового понимания солнечного магнетизма и солнечного цикла, что, в свою очередь, может улучшить нашу способность прогнозировать разрушительную космическую погоду.
Новое исследование также даёт представление о том, что мы можем ожидать увидеть на солнечных полюсах во время будущих полётов к Солнцу, и предоставляет информацию, которая может быть полезна при планировании таких полётов.
«Никто не может с уверенностью сказать, что происходит на солнечных полюсах, — сказала старший научный сотрудник NSF NCAR Маусуми Дикпати, которая руководила новым исследованием. — Но это новое исследование даёт нам интригующее представление о том, что мы можем ожидать, когда впервые получим возможность наблюдать за солнечными полюсами».
Ресурсы для суперкомпьютерных вычислений, необходимые для исследования, были предоставлены системами Cheyenne и Derecho Национального научного фонда США.
Загадка на полюсах солнца
Вероятное наличие на Солнце каких-то полярных вихрей не вызывает удивления. Эти вращающиеся образования формируются в жидкостях, окружающих вращающееся тело, под действием силы Кориолиса, и их наблюдали на большинстве планет нашей Солнечной системы.
На Земле вихрь вращается высоко в атмосфере вокруг северного и южного полюсов. Когда эти вихри стабильны, они удерживают холодный воздух на полюсах, но когда они ослабевают и становятся нестабильными, они позволяют холодному воздуху просачиваться к экватору, вызывая похолодание в средних широтах.
Миссия NASA «Юнона» передала захватывающие дух снимки полярных вихрей на Юпитере, на которых видно восемь плотно расположенных вихрей вокруг северного полюса газового гиганта и пять вокруг южного. Полярные вихри на Сатурне, снятые космическим аппаратом NASA «Кассини», имеют шестиугольную форму на северном полюсе и более округлую на южном. Эти различия дают учёным представление о составе и динамике атмосферы каждой планеты.
Полярные вихри также наблюдались на Марсе, Венере, Уране, Нептуне и на спутнике Сатурна Титане, поэтому в некотором смысле тот факт, что Солнце (также вращающееся тело, окружённое жидкостью) обладает такими характеристиками, может быть очевиден. Но Солнце также принципиально отличается от планет и спутников, обладающих атмосферой: окружающая Солнце плазменная «жидкость» является магнитной.
Как этот магнетизм может влиять на формирование и эволюцию полярных вихрей на Солнце — и формируются ли они вообще — остаётся загадкой, потому что человечество никогда не отправляло в космос миссии, которые могли бы наблюдать за полюсами Солнца. На самом деле, наши наблюдения за Солнцем ограничиваются видом его поверхности, обращённой к Земле, и лишь дают намёки на то, что может происходить на полюсах.
Кольцо вихрей , связанное с солнечным циклом
Поскольку мы никогда не наблюдали за полюсами Солнца, научная группа использовала компьютерные модели, чтобы заполнить пробелы в представлениях о том, как могут выглядеть полярные вихри на Солнце. Они обнаружили, что у Солнца, вероятно, действительно есть уникальная структура полярных вихрей, которая меняется по мере развития солнечного цикла и зависит от силы конкретного цикла.
В ходе моделирования плотное кольцо полярных вихрей формируется примерно на 55 градусах широты — эквиваленте Северного полярного круга Земли — в то же время, когда начинается явление, называемое «стремительным приближением к полюсам».
В максимуме каждого солнечного цикла магнитное поле на полюсах Солнца исчезает и заменяется магнитным полем противоположной полярности. Этому переключению предшествует «движение к полюсам», когда поле противоположной полярности начинает перемещаться с 55 градусов широты к полюсам.
После формирования вихри направляются к полюсам, образуя сжимающееся кольцо, и по мере того, как круг замыкается, вихри исчезают, пока не остаётся только пара вихрей, непосредственно примыкающих к полюсам, прежде чем они полностью исчезнут в период солнечного максимума. Количество формирующихся вихрей и их конфигурация по мере движения к полюсам меняются в зависимости от интенсивности солнечного цикла.
Эти симуляции позволяют восполнить недостающий фрагмент головоломки о том, как магнитное поле Солнца ведёт себя вблизи полюсов, и могут помочь ответить на некоторые фундаментальные вопросы о солнечных циклах. Например, в прошлом многие учёные использовали силу магнитного поля, которое «стремится к полюсам», в качестве косвенного показателя того, насколько сильным, вероятно, будет предстоящий солнечный цикл. Но механизм, с помощью которого эти явления могут быть связаны, если они вообще связаны, неясен.
Моделирование также даёт информацию, которую можно использовать для планирования будущих миссий по наблюдению за Солнцем. В частности, результаты показывают, что в той или иной форме полярные вихри должны наблюдаться во всех фазах солнечного цикла, кроме периода солнечного максимума.
«Вы можете запустить солнечную миссию, и она может прибыть для наблюдения за полюсами в совершенно неподходящее время», — сказал Скотт Макинтош, вице-президент Lynker по космическим операциям и соавтор статьи.
«Солнечный орбитальный аппарат» — совместная миссия НАСА и Европейского космического агентства — может дать исследователям первое представление о солнечных полюсах, но первый взгляд на них будет близок к солнечному максимуму. Авторы отмечают, что миссия, предназначенная для наблюдения за полюсами и позволяющая исследователям одновременно наблюдать за Солнцем с разных точек, может помочь им ответить на многие давние вопросы о магнитных полях Солнца.
«Наша концептуальная граница сейчас заключается в том, что мы рассматриваем только одну точку зрения, — сказал Макинтош. — Чтобы добиться значительного прогресса, нам нужны наблюдения, необходимые для проверки наших гипотез и подтверждения правильности подобных симуляций».
Источник: Труды Национальной академии наук, Национальный центр атмосферных исследований
На изображении:
Фотография короны Солнца в линии железа FeIX 171 Å инструментом AIA на борту спутника SDO
Дополнительные материалы
