Saulės ciklai

Sáulės cklai, Saulėje vykstantys periodiniai arba beveik periodiniai procesai, susiję su Saulės magnetinio aktyvumo kitimu.

Skiriami du pagrindiniai Saulės ciklų tipai: Saulės dėmių ciklas, arba Saulės aktyvumo ciklas, dar vadinamas Schwabeʼs ciklu, ir Saulės magnetinis ciklas, arba Haleʼio ciklas. Saulės dėmių ciklas – tai beveik periodiškas 11 m. trukmės Saulės aktyvumo kitimas. Jo metu Saulės spinduliuotės lygis, Saulės žybsnių, Saulės vainikinės medžiagos išsiveržimų ir Saulės dėmių skaičius bei dydis beveik periodiškai kinta nuo minimalaus ties Saulės aktyvumo ciklo minimumu iki maksimalaus ties šio ciklo maksimumu. Per Saulės dėmių ciklą jos magnetinio lauko poliai susikeičia vietomis. Saulės magnetinis ciklas – tai 22 m. trukmės Saulės magnetinio lauko ciklas, per kurį Saulės magnetinis laukas apsisuka 360° ir magnetiniai poliai grįžta į tą pačią padėtį. Saulės magnetinį ciklą sudaro du Saulės dėmių ciklai.

Saulės magnetinio lauko pasiskirstymas Saulės minimumo ir maksimumo metu

Saulės ciklų stebėjimo istorija

Saulės ciklus 19 a. atrado vokiečių astronomas Samuelis Heinrichas Schwabe, nors Saulės dėmių stebėjimai buvo pradėti jau maždaug 1610, kai Galileo Galilei išrado teleskopą. Tuo metu pradėta ir Saulės ciklus numeruoti – 2019 12 prasidėjo 25‑asis Saulės dėmių ciklas. Pradžioje Saulės dėmių stebėjimai ir skaičiavimai buvo padriki, sistemingi kasdieniai Saulės dėmių skaičiavimai pradėti 1749 Ciuricho observatorijoje. Nuo tada skaičiuojami ir Saulės dėmių mėnesiniai vidurkiai.

Saulės magnetinio lauko kitimas ciklų metu

Kai Saulė yra rami ciklo minimumo fazėje, ji, panašiai kaip ir Žemė, turi šiaurinį ir pietinį magnetinius polius, esančius skirtinguose Saulės pusrutuliuose ir praktiškai sutampančius su jos sukimosi ašies poliais. Aktyvumo maksimumo fazėje, kai magnetiniai poliai keičiasi vietomis, Saulės magnetinis laukas būna visiškai padrikas. Jos paviršiuje bet kuria kryptimi gali atsirasti naujas magnetinis polius, be to, magnetinių polių gali susidaryti net 4 ar 5. Saulės aktyvumo minimumo metu jos magnetinis laukas būna ganėtinai tvarkingas ir ramus, o magnetinio lauko stipris poliuose rodo Saulės aktyvumą, kuris pasireikš per būsimą Saulės ciklo maksimumą. Kuo magnetinis laukas poliuose yra stipresnis ties minimumu, tuo aktyvesnė Saulė bus per būsimo ciklo maksimumą.

Saulės dėmės – aktyvumo rodiklis

Saulės dėmių porų magnetinio poliariškumo pasiskirstymas skirtinguose Saulės pusrutuliuose ir gretimų ciklų metu (Š – šiaurinis, P – pietinis)

Aktyvios Saulės periodais jos paviršius būna nusėtas Saulės dėmėmis, suaktyvėja Saulės vėjas, Saulės žybsniai ir vainikinės masės išsiveržimai būna vis dažnesni. Pagrindinis Saulės aktyvumo rodiklis yra Saulės dėmės. Stebint Saulės dėmes galima nustatyti, kada baigiasi senasis Saulės dėmių ciklas ir kada prasideda naujasis, t. p. kada pasiekiamas ciklo maksimumas ir kokio intensyvumo buvo Saulės aktyvumas ciklo maksimumo metu. Skaičiuojant dienas, kai Saulės paviršiuje nėra matoma dėmių, galima spręsti apie artėjantį Saulės aktyvumo minimumą ir naujo ciklo pradžią. Saulės minimumą nustatyti nėra paprasta, nes dažnai pasitaiko, kad skirtingi Saulės ciklai susilieja ir vienu metu Saulės paviršiuje matomos tiek senojo, tiek ir naujojo ciklo dėmės. Pagal Saulės minimumo metu paviršiuje atsirandančių dėmių magnetinį poliškumą galima spręsti, ar tos dėmės yra iš senojo ciklo, ar iš naujojo, ir pagal tai prognozuoti naujojo ciklo pradžią. Tik pradėjus didėti naujojo ciklo Saulės dėmių skaičiui galima pasakyti, kada prasidėjo šis Saulės ciklas. Saulės dėmės paprastai susiformuoja poromis, kurios sudaro tarsi magnetą su dviem skirtingais poliais. Viena poros dėmė atitinka šiaurinį magnetinį polių, kita – pietinį.

Jei vieno ciklo metu Saulės dėmių porose dešiniau esančios dėmės atitinka šiaurinį magnetinį polių, kito ciklo metu tame pačiame Saulės pusrutulyje dešiniau esančios dėmės atitiks pietinį magnetinį polių. Be to, Saulės dėmių poliškumas skirtinguose Saulės pusrutuliuose yra atvirkštinis. Skirtingas dėmių poliškumas leidžia atpažinti, kuriam Saulės ciklui – senajam ar naujajam – jos priklauso. Todėl norint nustatyti naujojo ciklo pradžią svarbu žinoti, kurio ciklo dėmės matomos Saulės paviršiuje.

Ilgalaikiai Saulės akyvumo kitimai

Atskirų Saulės dėmių ciklų trukmė skiriasi. Pavyzdžiui, Saulės 23‑iasis ciklas buvo vienas ilgiausių ir tęsėsi apie 12,3 metų. Skiriasi ir atskirų Saulės dėmių ciklų aktyvumas. Tam tikrais laikotarpiais galima stebėti vien tik didelio intensyvumo Saulės ciklų sekas, kitais laikotarpiais Saulė būna ramesnė, su žemo, palyginti su vidurkiu, intensyvumo ciklais. Tokios padidėjusio arba sumažėjusio aktyvumo ciklų sekos sudaro ilgalaikius Saulės aktyvumo kitimus, kurie turi įtakos ir Žemės klimatui. Vienas ilgiausiai trukusių Saulės aktyvumo minimumų buvo Maunderio minimumas (truko nuo 1645 iki 1715).

Saulės dėmių skaičiaus kitimas nuo 1610

Maunderio minimumo metu net 70 m. Saulės paviršiuje nebuvo stebima Saulės dėmių, o klimatas Europoje buvo atšalęs taip, kad Temzės upė Londone žiemos metu pasidengdavo ledu ir ant jo buvo organizuojamos mugės. Kitas žinomas minimumas – Daltono minimumas – buvo trumpesnis (truko nuo 1796 iki 1820). 20 a. pradžioje prasidėjo vadinamasis Modernus Saulės aktyvumo maksimumas, kuris tęsėsi iki Saulės 23‑iojo ciklo.

Kosminiai spinduliai ir Saulės aktyvumas

Informacija apie praeities Saulės aktyvumo ciklus reikalinga tam, kad būtų galima geriau suprasti Saulės aktyvumo dinamiką. Nors iki 1610 Saulės dėmės ir Saulės aktyvumas tiesiogiai nebuvo stebima, informaciją apie Saulės aktyvumo ciklus galima atkurti kitais metodais, pvz., nustatant Žemę pasiekiančių kosminių spindulių koncentraciją skirtingais metais. Saulės heliosfera ir magnetinis laukas apgaubia visą Saulės sistemą tarytum apsauginiu kokonu, į kurį kosminiams spinduliams yra sunku prasiskverbti. Mažėjant Saulės aktyvumui heliosfera t. p. sumažėja, susilpnėja jos apsauga nuo kosminių spindulių, todėl vis daugiau kosminių spindulių prasiskverbia gilyn į Saulės sistemą. Didėjant Saulės aktyvumui būna priešingai – kosminių spindulių, pasiekiančių Žemę, intensyvumas mažėja. Kosminių spindulių kiekis erdvėje ir Žemėje yra dar vienas Saulės aktyvumo matas.

Anglies izotopas ir Saulės aktyvumas

Anglies izotopas ¹⁴C t. p. yra laikomas Saulės aktyvumo matu, nes jo koncentracija atmosferoje, kaip ir kosminių spindulių intensyvumas, priklauso nuo Saulės aktyvumo ir heliosferos dydžio. ¹⁴C izotopai susidaro iš anglies ¹²C, kai ją paveikia kosminiai spinduliai. ¹⁴C koncentracija atmosferoje priklauso nuo to, kiek kosminių spindulių pasiekia Žemės atmosferą. Kuo aktyvesnė Saulė ir Saulės vėjas, tuo stipresnę apsaugą nuo kosminių spindulių turi Žemė. Todėl aktyvios Saulės fazėje Žemę pasiekia mažiau kosminių spindulių ir ¹⁴C koncentracija sumažėja. Saulės aktyvumo minimumo metu ¹⁴C izotopo koncentracija būna padidėjusi.

Panaudojus šią ¹⁴C koncentracijos priklausomybę nuo Saulės aktyvumo buvo atskleisti Saulės 11 m. trukmės ciklai nuo 969 metų. Tam buvo matuojama radioaktyviosios anglies ¹⁴C koncentracija medžių rievėse, kurių amžius buvo tiksliai žinomas. Pritaikius šį metodą ateityje planuojama atskleisti Saulės aktyvumo ciklus iki paskutinio ledynmečio pabaigos, nes medžių trinkelių archyvuose yra sukaupta medžiagos iš paskutinių 14 000 metų. Šiam tyrimui naudojama šiuolaikinė greitintuvo masės spektrometrija, kuri leidžia vos per kelias valandas 0,1 % tikslumu išmatuoti ¹⁴C koncentraciją mažame medžio mėginyje. Išsiaiškinus Saulės aktyvumą nuo 969 iki 1933 buvo patvirtintas Saulės aktyvumo 11 m. periodiškumas. Buvo nustatyta, kad Saulės ciklo amplitudė būna mažesnė po ilgiau trunkančio Saulės aktyvumo minimumo. Analogiška situacija buvo stebima ir šio šimtmečio pradžioje, kai Saulės 23‑iasis ciklas buvo ilgesnis už vidurkį, o po jo sekęs 24‑asis ciklas buvo mažiau aktyvus. Gauti rezultatai yra itin svarbūs norint geriau suprasti vidinę Saulės dinamiką.

¹⁴C izotopo (a kreivė), Saulės aktyvumo (b kreivė) ir Saulės aktyvumo vidurkio (c kreivė) kitimai nuo 969 metų: mėlyna kreivė vaizduoja pagal medžių nuopjovų tyrimus gautus rezultatus, juoda – Saulės dėmių skaičiaus kitimus nuo sistemingų skaičiavimų pradžios; apatiniame grafike matomi identifikuoti Saulės aktyvumo 5 sumažėjimai: Oorto, Wolfo, Sporerio, Maunderio ir Daltono minimumai, t. p. pavaizduoti dviejų klimatinių anomalijų laikotarpiai (šios anomalijos galimai susijusios su Saulės aktyvumo kitimais)

Istorinės geomagnetinės audros

Matavimų rezultatai t. p. padėjo patvirtinti galingą geomagnetinę audrą, įvykusią 993, kai didelės energijos Saulės protonų srautas labai dideliu greičiu išlėkė iš Saulės per jos žybsnį ir pasiekė Žemę. Tokios aplinkybės turėtų lemti anglies izotopo ¹⁴C kiekio padidėjimą. Tyrėjų grupė t. p. aptiko dar dviejų iki šiol nežinomų tokio pat pobūdžio įvykių įrodymų. Jie turėjo įvykti 1052 ir 1279. Tai gali reikšti, kad galingos geomagnetinės audros, galinčios smarkiai sutrikdyti elektros tinklų ir elektronikos prietaisų veiklą Žemėje ir kosminiuose palydovuose, įvyksta dažniau, nei manyta iki šiol. Mokslininkai mano, kad pagal statistinę tikimybę 993, 1052 ir 1279 atitinkantį ¹⁴C kiekio padidėjimą galėjo sukelti tik Saulės žybsniai, o ne kažkas kita. Vis dėlto manytina, kad visi trys įvykiai kilo dėl daug intensyvesnių Saulės išsiveržimų arba bent jau dėl kitokių, nei stebimi šiais laikais, įskaitant ir liūdnai pagarsėjusį 1859 Carringtono įvykį, per kurį dėl geomagnetinės audros kilo gaisrai daugelyje telegrafo stočių. Pastebėtina, kad 1859 vainikinės masės išsiveržimas ir geomagnetinė audra Žemėje nepaliko jokių padidėjusio ¹⁴C izotopo kiekio pėdsakų.

priešingo magnetinio poliškumo juostos (pavaizduotos raudona ir mėlyna spalva); po jų atsiradimo aukštesnėse platumose jos 22 m. slenka link Saulės pusiaujo, kur susitinka su priešingo magnetinio poliškumo juosta ir panaikina viena kitą

Saulės ciklų trukmė ir aktyvumas

Saulės 18 magnetinių ciklų analitinės fazės

Su Saulės ciklais siejamos Saulę juosiančios magnetinio lauko juostos. Jos susidaro maždaug ties 55–60^o platuma šiauriniame ir pietiniame Saulės pusrutuliuose ir ima judėti link pusiaujo, kur susitikusios viena kitą panaikina. Šis įvykis vadinamas terminatoriumi. Tai 22 m. trukmės Saulės magnetinio ciklo ir atitinkamo 11 m. trukmės Saulės aktyvumo ciklo pabaiga. Terminatorius t. p. yra ir naujo 22 m. trukmės magnetinio ciklo pradžia. Kai šios magnetinės juostos būna pusiaukelėje link pusiaujo, jų vietoje pasirodo Saulės dėmės, o platumose ties 55–60^o ima formuotis naujos magnetinės juostos, kurios t. p. pradeda migruoti link pusiaujo. Tai nutinka apytiksliai kas 11 m., o jų judėjimas link pusiaujo užtrunka 22 metus. Tokiu būdu magnetiniai 22 m. Saulės ciklai tarpusavyje persikloja. Nors magnetinės juostos atsiranda pakankamai reguliariai kas 11 m., kartais jos sulėtėja kirsdamos vidutines platumas.

Išanalizavus 270 m. Saulės aktyvumo matavimų duomenis ir per šį laikotarpį įvykusius terminatorius nustatyta, kad dėl tokio sulėtėjimo terminatorius įvyksta vėliau, esamas Saulės aktyvumo ciklas pailgėja, o būsimo ciklo aktyvumas sumažėja. Nors terminatorius įvyksta maždaug kas 11 m. ir žymi Saulės dėmių ciklo pradžią ir pabaigą, laikas tarp gretimų terminatorių gali skirtis. Pavyzdžiui, Saulės dėmių 4‑asis ciklas prasidėjo terminatoriumi 1786, o baigėsi terminatoriumi 1801, t. y. 4‑ojo ciklo trukmė buvo net 15 m. (vietoj planuotų 11 metų). Po jo prasidėjęs 5‑asis ciklas buvo neįprastai silpnas – ties aktyvumo maksimumu buvo stebimos vidutiniškai vos 82 Saulės dėmės, vėliau šis ciklas buvo pavadintas Daltono minimumo pradžia. Panašiai ir Saulės dėmių 23‑iasis ciklas, prasidėjęs 1998 ir pasibaigęs tik 2011, tęsėsi ilgiau nei vidutiniškai – 12,3 metų. Po jo sekęs Saulės dėmių 24‑asis ciklas t. p. buvo gana silpnas ir trumpas – truko vos 10 metų. Nustatyta, kad po ilgo ciklo visada seka trumpesnis ciklas. Remiantis šiais duomenimis prognozuojama, kad Saulės dėmių 25‑asis ciklas turėtų būti aktyvesnis už 24‑ąjį ciklą.

Saulės magnetinių ciklų pranašumas prognozuojant Saulės aktyvumą

Išanalizavus 150 m. Saulės aktyvumo matavimų duomenis ir suskirsčius juos 22 m. trukmės Saulės magnetiniais ciklais, Saulės aktyvumo ciklai buvo suskirstyti į tris sezonus. Per kiekvieną iš jų Žemės kosminiai orai t. p. skiriasi. Pirmasis sezonas būna tada, kai Saulė būna aktyvumo maksimume. Tuo metu Saulė yra aktyvi ir elgiasi nenuspėjamai, kosminiai orai būna permainingi, dažnai audringi, geomagnetinės audros nereguliarios. Antrasis sezonas pasireiškia, kai Saulė būna aktyvumo mažėjimo fazėje. Tuo metu Saulė ir Saulės vėjas ima rimti, žybsniai tampa labiau nuspėjami, o kosminiai orai – nuosaikesni. Trečiasis sezonas pasireiškia, kai Saulė būna aktyvumo minimume. Nustatyta, kad pirmas sezonas (Saulės aktyvumo maksimumas) pereina į antrą sezoną (aktyvumo mažėjimo fazę) labai greitai, vos per keletą Saulės apsisukimų (1 apsisukimas – 27 dienos). Be to, paaiškėjo, kad aktyvumo mažėjimo fazės trukmė priklauso nuo to, į kurią pusę keičiasi Saulės magnetinis laukas, todėl lyginiais ciklais antrojo sezono metu aktyvumas mažėja dvigubai ilgiau nei nelyginių ciklų metu. Tuo remiantis manoma, kad 25‑ojo ciklo aktyvumo mažėjimo fazė bus trumpa. Žinant, kaip elgsis Saulė, galima prognozuoti ir kosminius orus bei Saulės poveikį kosminiams palydovams, elektros ir komunikacijų tinklams. Rezultatai t. p. leidžia suprasti, kaip Saulė keičia magnetinį poliškumą kiekvieno ciklo metu. Pagal šią teoriją Saulės 22 m. magnetiniai ciklai persidengia, sąveikauja tarpusavyje ir sukuria to susiklojimo šalutinį reiškinį – maždaug 11 m. trunkantį Saulės aktyvumo ciklą. 22 m. magnetiniai ciklai kartojasi labai tiksliu periodiškumu, o 11 m. Saulės aktyvumo ciklai labai skiriasi vienas nuo kito. Kadangi po trumpesnių ciklų seka aktyvesni, tai leidžia prognozuoti būsimo Saulės maksimumo intensyvumą.

daugiau nei penkis dešimtmečius trunkančių (20–24 Saulės ciklai) Saulės aktyvumo rodiklių stebėjimų rezultatų palyginimas (iš viršaus į apačią): a) bendras (juoda kreivė) ir skirtinguose Saulės pusrutuliuose stebimų Saulės dėmių skaičius (šiaurinis – raudonai, pietinis – mėlynai); raudonai ir mėlynai nuspalvinti plotai rodo, kuriame Saulės pusrutulyje buvo daugiau dėmių; b) Saulės dėmių platumos priklausomybė nuo laiko (vadinamoji drugelio diagrama); e) duomenimis pagrįstas 22 m. Saulės magnetinio aktyvumo ciklo schematiškas vaizdas; pavaizduota, kaip pietinio ir šiaurinio magnetinio poliškumo juostos bėgant laikui keičia savo padėtį Saulės paviršiuje, juodos taškinės linijos žymi ciklų pabaigas

Prasidėjus naujam (25‑ajam) Saulės aktyvumo ciklui skirtingos mokslininkų grupės pagal savus Saulės modelius bando prognozuoti, koks jis bus – stipresnis ar silpnesnis, ilgesnis ar trumpesnis. Iki šiol mokslininkams sunkiai sekėsi nuspėti Saulės aktyvumo ciklų trukmę ir intensyvumą, nes trūksta informacijos apie tai, kas lemia cikliškumą. Saulės ciklų dėsningumų tyrimai padės numatyti Saulės aktyvumo kitimą ir stebėti, kokią įtaką Saulės sezoniškumas daro kosminiams orams Žemėje.

3203

-geomagnetinė audra