Ледниковый период не за горами

С 2030 по 2040 год начнется минимум солнечной активности, который приведет к похолоданию, сравнимому с тем, что было в Европе в позднем Средневековье, когда Москва-река по полгода была скрыта подо льдом. Подробнее о работе, которая дает такой невеселый прогноз, рассказала один из ее авторов, кандидат физико-математических наук Елена Попова.
Елена Попова, cтарший научный сотрудник, к.ф.-м.н.
— Расскажите, пожалуйста, подробнее про солнечную активность и о том, когда же будет ее минимум?
— Солнечная активность имеет циклический характер. Выделяют несколько циклов с различными периодами и свойствами. Самые известные из них — это 11-летний, 90-летний и 300–400-летний. 11-летний цикл проявляется как циклическое уменьшение пятен на поверхности Солнца каждые 11 лет. 90-летняя вариация связана с периодическим уменьшением количества пятен в 11-летних циклах на 50–25%. 300–400-летние минимумы связаны с возникновением каждые 300–400 лет длительного (до нескольких десятков лет) интервала времени, в течении которого пятен очень мало.
Самый известный минимум — это минимум Маундера, который длился примерно с 1645 по 1715 год. За этот период наблюдалось около 50 солнечных пятен вместо обычных 40–50 тысяч.
Основным результатом нашей работы, вызвавшей такое оживление среди общественности, является утверждение, что в период с 2030 по 2040 год начнется минимум солнечной магнитной активности. Данный результат был представлен в докладе на конференции Королевского астрономического общества в городе Лландидно (Уэльс) и готовится к публикации в журнале Nature. После доклада появилось огромное количество новостных статей о нашей работе во многих странах мира, в том числе и в России. К нам приходит большое количество писем от различных исследователей, студентов и даже писателей из разных стран.
Изображение Солнца 15 июля 2015 года на длине волны 304 ангстрема, полученное миссией NASA Solar Dynamics Observations.
— Как вы получили этот результат?
— У нас есть ряд публикаций, где мы описали наши модели и методы исследования солнечной магнитной активности. Так, был предсказан минимум солнечной магнитной активности в цикле 26. В другой работе впервые была применена модель двух динамо для объяснения вариаций магнитного поля по широтам. Еще были статьи, где впервые применен метод принципиальной компоненты для анализа магнитного поля Солнца по магнитограммам, и где минимумы активности объясняются с помощью модели двойного динамо.
Мои коллеги применили «анализ главных компонент», который позволяет в наблюдательных данных выявить волны с самым большим вкладом. Такой метод можно сравнить с разложением белого света призмой на цвета радуги, или волны с разными частотами. В результате применения анализа для циклов 21–23 было обнаружено, что магнитные волны на Солнце генерируются парами и самая главная пара отвечает за дипольные изменения поля, которое наблюдается при изменении солнечной активности. Таким образом удалось выделить волны, которые отвечают простому физическому процессу: генерации динамо волны в заданном слое конвективной зоны Солнца. К полученным волнам был применен символический регрессионный анализ, основанный на Гамильтоновой инвариантности, и удалось получить аналитические формулы, описывающие эволюцию обеих волн.
Фактически мои коллеги получили формулу зависимости амплитуды волн и их фаз от времени. Затем эти формулы были использованы для предсказания активности в прошлом (от 1200 года) и будущем (до 3200).
Оказалось, что теоретическая эволюция магнитного поля дала для прошедших эпох глобальные минимумы солнечной активности, совпадающие с наблюдаемыми. Кроме этого, предсказание магнитной активности в 24-м цикле на основе этих формул дало 97-процентную точность при сравнении с наблюдениями, то есть с принципиальными компонентами, которые они вывели из наблюдений.
Относительно долгосрочного прогноза мы пока можем говорить, что аналог Маундеровского минимума будет в цикле 26, этот минимум будет короче чем предыдущий, он продлится в циклах 25–27, а потом активность будет расти. В XVII веке минимум Маундера тянулся 55–60 лет, этот будет не больше 30. Прогноз на тысячу лет редакция Nature запрещает пока показывать, так как статья еще не вышла. Моя работа заключалась в объяснении физики возникновения глобальных минимумов и эмпирически найденного закона. И эти модельные расчеты очень близки к характеристикам обнаруженных волн как в циклах 21–26, так и в 1000-летнем масштабе.
— Как получилось, что ваш прогноз является наиболее точным, ведь ваша группа не единственная, кто занимается прогнозированием солнечной активности?
— Так вышло, потому что у нас собралась удивительная команда соавторов, в которую входят и физики, и математики, и астрономы.
Почему это удалось нам сделать? Потому, что мы сначала поработали с данными, провели спектральный анализ общего магнитного поля Солнца, а не числа пятен, что сейчас используется для описания солнечной активности, и уменьшили их размерность.
Это дало возможность найти волны, которые соответствуют простому физическому процессу, и предложить новый метод предсказания солнечной активности. Мы показали, что индекс по пятнам может быть получен из двух волн, что мы нашли, если сложить эти волны вместе и найти их модуль.
А потом мы стали искать, какой же процесс сможет описать эти волны, и так пришли к динамо-теории с двумя слоями и меридиональной циркуляцией. В других группах исследователи использовали индекс солнечной активности по пятнам в последние 200 лет и по особенностям предыдущего цикла могут только предсказывать следующий цикл. Неудивительно, что они не смогли предсказывать лучше, чем один цикл, ведь они пытались предсказать одну волну, когда их две и используют только положительную часть этой волны.
— Расскажите подробнее про механизм, которым объясняется минимум активности Солнца. Как была построена эта теория? Насколько большой массив наблюдаемых данных лежит в основе вашей теории?
— Моя модель, объясняющая возникновение глобальных минимумов, основана на процессе генерации магнитного поля в звездах и планетах, который связан с работой механизма динамо. Аналогом действия этого механизма является работа динамо-машины. В отличие от теорий, в которых рассматривается одна волна магнитного поля, в моей теории было рассмотрено наличие двух волн магнитного поля, которые были найдены эмпирически. Моя теоретическая модель была построена на основе фундаментальных механизмов генерации магнитного поля Солнца, а сравнение результатов этой модели проводилось как с массивом наблюдаемых данных для магнитных полей за циклы 21–23, так и с наблюдаемыми данными солнечной активности в 1000-летнем масштабе. На этих масштабах мои модельные расчеты оказались очень близки к характеристикам солнечной магнитной активности. Моя модель объясняет наблюдаемые и прогнозируемые по этим данным процессы, но она была построена независимо от этих данных. Она их именно объясняет и воспроизводит особенности солнечной магнитной активности.
Иными словами, мною найдены физические законы, воспроизводящие эмпирические факты. Соответственно, моя модель объясняет и странности в поведении Солнца в текущем цикле активности, который получился аномально низким.
— Насколько холодным будет период из-за минимума активности Солнца? Можно ли сказать что-то более конкретное по этому поводу сейчас? Намерены ли вы обсудить результаты вашей работы с климатологами?
— Ряд исследований показал, что минимум Маундера совпал по времени с наиболее холодной фазой глобального похолодания климата, которое было названо малый ледниковый период. В Европе и Северной Америке были очень холодные зимы. Во времена минимума Маундера замерзала вода в русле рек Темзы и Дуная, Москва-река на каждые полгода покрывалась льдом, снег лежал на некоторых равнинах круглый год, Гренландия покрылась ледниками.
В настоящее время понижение температуры может привести к серьезному негативному влиянию на технику и сельское хозяйство.
Например, в статье 2010 года показано, что низкая солнечная активность во время минимума Маундера совпала с более суровыми зимами в Великобритании и континентальной Европе. Годом ранее на основе наблюдений в рамках программы NASA's Solar Radiation and Climate Experiment показано, что солнечное ультрафиолетовое излучение более чувствительное к солнечному циклу, чем думали ранее.
Используя наблюдаемые данные о солнечном магнитном поле, мы сделали прогноз солнечной магнитной активности, подкрепленный построенной нами физической моделью генерации поля, и получили, что в 2030–2040 годах может возникнуть минимум, который будет длиться примерно 30 лет. Если существующие теории о влиянии солнечной активности на климат верны, то этот минимум приведет к значительному похолоданию, аналогичному тому, которое было во время минимума Маундера. Ввиду того, что наш будущий минимум продлится три солнечных цикла — примерно 30 лет, возможно, понижение температуры не будет таким глубоким, как в минимуме Маундера. Но это надо будет изучить детальнее. Мы сейчас находимся в переписке с климатологами из разных стран. Мы планируем работать в этом направлении.
— А можно ли, на ваш взгляд, уверенно говорить, что в изменении климата виновато исключительно Солнце, и антропогенный фактор с выбросами парниковых газов не имеет существенного значения?
— В ряде работ показана связь солнечной активности с климатом. Не существует строгого доказательства, что глобальное потепление вызвано активностью человека. За последние 400 тысяч лет было пять глобальных потеплений и четыре ледниковых периода, как показали исследования дейтерия в Антарктике. Человечество появилось примерно 60 тысяч лет назад. Однако даже если деятельность человека и влияет на климат, то можно сказать, что Солнце с новым минимумом дает человечеству дополнительное время, или второй шанс, чтобы человечество привело в порядок свои индустриальные выбросы и приготовилось к циклу 28, когда Солнце снова вернется к нормальному режиму активности.
— Расскажите именно про ваш вклад в работу.
— В данном коллективе я являюсь теоретиком, который построил физико-математическую модель для объяснения наблюдательных фактов. Мною разработана новая уникальная физико-математическая модель эволюции магнитной активности Солнца. С ее помощью мне удалось получить закономерности возникновения глобальных минимумов солнечной активности и дать им физическую интерпретацию. Таким образом, прогнозы, построенные по наблюдательным данным, оказались подтвержденными результатами независимого математического моделирования, что повышает их надежность.
Моя работа заключалась в объяснении физики возникновения глобальных минимумов и эмпирически найденного закона поведения волн магнитного поля. И эти модельные расчеты очень близки к характеристикам обнаруженных волн как в циклах 21–26, так и в 1000-летнем масштабе.
Мне удалось промоделировать изменение амплитуды и фазы двух волн, полученных в наблюдениях, а также промоделировать поведение суммарного магнитного поля Солнца.
— Расскажите про ваших соавторов.
— Я сотрудничаю с Валентиной Жарковой несколько лет. У нас с ней, Саймоном Шефердом и Сергеем Жарковым вышел ряд работ, посвященных солнечной активности.
Валентина Жаркова — профессор математики, занимается солнечной плазмой и солнечной активностью. Жаркова училась в Киевском университете и там работала до переезда в Глазго. Потом она стала читать лекции в Брэдфорде и с 2005-го является профессором. С 2013-го работает в Нортумбрийском университете (Англия).
Саймон Шеферд — профессор математики Брэдфордского университета. Он бывший военный моряк. В Брэдфорд пришел 25 лет назад.
Доктор Сергей Жарков — доцент Университета в Галле, победитель математической олимпиады в 1991 году, закончил Кембриджский университет, математик и физик в области солнечной активности, занимается гелио- и астросейсмологией, а также автоматизированным распознаванием образов. Он начал изучение солнечной активности, создал каталог особенностей солнечной активности, потом сделал первое сравнение магнитных полей Солнца с солнечными пятнами. Эта работа воодушевила Жаркову и Шеферда сделать «анализ принципиальной компоненты», так как они увидели много волн в наблюдательных данных, которые мешали понять, что на самом деле мы наблюдаем. Затем полученные методы были применены к прогнозу солнечной активности.
— Расскажите, пожалуйста, про себя. Вы закончили физический факультет? Как вы стали заниматься гидродинамикой Солнца?
— Я закончила физический факультет МГУ. На младших курсах занималась экспериментальной нейрофизиологией. Диплом и кандидатская диссертация посвящены теории и моделированию генерации магнитного поля в звездах и планетах. Сейчас моя научная деятельность связана не только с магнитными полями в небесных телах, год назад я начала работать в области физики галактических космических лучей совместно с учеными из НИИЯФа и США.
Кроме того, я занимаюсь научной деятельностью в области теории высших спинов, описывающей фундаментальные взаимодействия. Эта теория поля, обладающая максимально высокой калибровочной симметрией. Сейчас учеными ожидается, что теории этого класса позволят по-новому взглянуть на теорию суперструн, которая считается основным кандидатом на роль теории фундаментальных взаимодействий.
Пользуясь случаем, хотела бы пригласить на кафедру физики космоса на физическом факультете тех студентов, кто хочет заниматься тематикой солнечной активности или галактических космических лучей.