Российские ученые нашли новый способ предсказывать активность Солнца: при чем здесь закон Колмогорова

Российские исследователи сделали открытие, которое может изменить подход к прогнозированию солнечной активности. Проанализировав данные почти за 50 лет, ученые обнаружили неожиданную связь между изменениями магнитного поля Солнца и фундаментальным законом турбулентности, сформулированным выдающимся советским математиком Андреем Колмогоровым еще в середине XX века.

Результаты исследования указывают: процессы в полярных областях нашей звезды подчиняются универсальной закономерности, которая ранее считалась характерной главным образом для земных и лабораторных турбулентных потоков. Это открытие дает ученым новый инструмент для изучения природы солнечных циклов и может помочь в создании более точных моделей прогнозирования космической погоды.

Загадка солнечной активности длиной в столетия

Солнце кажется ученым хорошо изученным объектом: человечество ежедневно наблюдает за его поверхностью, фиксирует вспышки, пятна и выбросы плазмы. Однако процессы, происходящие внутри звезды, по-прежнему остаются одной из главных загадок астрофизики.

Главная причина — невозможность напрямую заглянуть в глубины Солнца. Под его видимой поверхностью находится гигантская конвективная зона — слой раскаленной плазмы толщиной около 200 тысяч километров. Именно там возникают мощные движения вещества, которые формируют магнитное поле звезды.

Эти процессы напоминают гигантскую турбулентную машину: горячая плазма поднимается, охлаждается и снова погружается в глубины Солнца. В результате возникают сложные магнитные структуры, которые затем проявляются на поверхности в виде солнечных пятен, вспышек и выбросов корональной массы.

Но понять точные механизмы работы этой системы крайне сложно. Ученые могут изучать лишь последствия процессов, происходящих внутри звезды.

След закона Колмогорова на Солнце

Ключевым элементом нового исследования стал так называемый закон −5/3. Это показатель, описывающий распределение энергии в турбулентных потоках разных масштабов.

В 1941 году математик Андрей Колмогоров предложил теорию, согласно которой энергия в турбулентной среде передается от крупных вихрей к более мелким по определенной закономерности. Его работы стали фундаментом современной науки о турбулентности и применяются в самых разных областях — от физики атмосферы до инженерных расчетов.

Теперь ученые обнаружили признаки действия этой же закономерности в магнитном поле Солнца.

Исследователи установили, что колебания магнитного поля в полярных областях звезды имеют степенной спектр, соответствующий колмогоровскому закону. Иными словами, солнечная турбулентность, несмотря на колоссальные масштабы, демонстрирует поведение, которое подчиняется универсальному физическому принципу.

Полвека наблюдений помогли увидеть закономерность

Для исследования ученые использовали уникальный массив данных, накопленный за десятилетия. В анализ вошли наблюдения, полученные с помощью телескопа-магнитографа обсерватории имени Уилкокса в США.

Эта база охватывает почти четыре с половиной солнечных цикла — примерно 50 лет наблюдений за изменениями магнитного поля звезды.

Именно длительный период наблюдений позволил выявить закономерность, которую невозможно было заметить при изучении отдельных вспышек или коротких периодов активности.

Ученые исследовали изменения магнитного поля в диапазоне временных масштабов от одного месяца до примерно шести с половиной лет. Такой подход позволил увидеть, как энергия распределяется между различными процессами внутри солнечной системы.

Почему ученые изучают именно полюса Солнца

Особое внимание исследователи уделили полярным областям звезды. Именно здесь формируется важнейшая часть солнечного магнитного цикла.

Каждые примерно 11 лет Солнце проходит через период смены магнитных полюсов: северный и южный магнитные полюса меняются местами. Этот процесс связан с ростом и спадом солнечной активности.

В начале цикла количество солнечных пятен постепенно увеличивается, затем достигает максимума, после чего активность снижается. Однако точный механизм, который управляет этим процессом, до конца не изучен.

Полярное магнитное поле считается своеобразным «следующим кадром» солнечного цикла — его состояние помогает ученым оценивать, насколько активным будет следующий период.

Новое открытие показывает, что в поведении этого поля есть скрытая математическая структура, которую можно использовать при построении прогнозов.

Почему это важно именно сейчас

Исследование появилось в период, когда интерес к солнечной активности значительно вырос. Нынешний, 25-й цикл солнечной активности, начавшийся в 2019 году, оказался значительно мощнее, чем ожидали многие специалисты.

Предварительные прогнозы предполагали более спокойное развитие событий, однако фактическое количество солнечных пятен и мощность некоторых вспышек превысили первоначальные оценки.

Активность Солнца имеет прямое значение для Земли. Сильные солнечные вспышки и выбросы плазмы способны вызывать магнитные бури, которые влияют на работу спутников, систем связи, навигации и даже энергетической инфраструктуры.

Кроме того, более точные прогнозы солнечной активности необходимы для защиты космических аппаратов и будущих пилотируемых миссий за пределами околоземной орбиты.

Новый шаг к пониманию работы нашей звезды

Ученые подчеркивают: обнаружение связи между солнечным магнитным полем и законом Колмогорова не означает, что прогнозы солнечной активности станут абсолютно точными уже завтра. Солнце остается чрезвычайно сложной системой, где одновременно действуют множество факторов.

Однако новое открытие дает важный ориентир для развития моделей солнечного динамо — механизма, который отвечает за генерацию магнитного поля звезды.

Если дальнейшие исследования подтвердят найденную закономерность, ученые смогут лучше понимать, как зарождаются солнечные циклы, почему одни периоды активности оказываются сильнее других и какие процессы происходят внутри раскаленной плазмы.

Фактически исследователи получили новый «математический ключ» к одному из главных вопросов современной астрофизики: как работает магнитное сердце Солнца и почему оно меняется с течением времени.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, можно ли ослабить Эль-Ниньо, затемнив Солнце