Ученые Пермского Политеха нашли закон турбулентности в магнитном поле Солнца

Российские ученые установили, что колебания магнитного поля на полюсах Солнца подчиняются фундаментальному закону турбулентности, который описывает движение жидкостей и газов.

Исследователи изучили данные прямых наблюдений, которые в течение примерно пятидесяти лет собирала обсерватория имени Уилкокса в США. Для обработки массива измерений они использовали вейвлет-анализ — метод, позволяющий разделить сложный сигнал на колебания разных периодов и проследить, как они меняются со временем.

В результате специалисты выяснили, что энергия колебаний магнитного поля распределяется между крупными и мелкими волнами по строгому правилу. Показатель этого распределения оказался близок к значению минус пять третьих. Именно такой показатель связан с законом турбулентности, который в 1941 году вывел советский математик Андрей Колмогоров.

В работе участвовали ученые из Пермского Политеха, Института механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук и Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн Российской академии наук. Исследование поддержал Российский научный фонд.

Авторы считают, что полученные данные помогут проверять модели конвективной зоны Солнца. Это область внутри звезды, где формируется ее магнитное поле. В этом слое раскаленная плазма постоянно перемещается: горячие потоки поднимаются к поверхности, а остывшие опускаются вниз.

Именно такие процессы связаны с солнечной активностью, которая проявляется в виде пятен, вспышек и выбросов корональной массы. Наблюдать внутренние слои Солнца напрямую невозможно, поэтому раньше турбулентность часто изучали по косвенным признакам, в том числе по статистике появления пятен.

В новой работе ученые сосредоточились на полярных областях Солнца. Там магнитное поле выходит на поверхность в виде вертикальных силовых линий. Эта часть поля формирует магнитные полюса звезды, которые меняются местами примерно каждые одиннадцать лет.

Анализ показал наличие степенного спектра в диапазоне почти в сто раз — от одного месяца до шести с половиной лет. В этом промежутке наклон спектра, отражающий затухание высокочастотных колебаний, оказался близок к колмогоровскому значению минус пять третьих.

Руководитель проекта Родион Степанов, доктор физико-математических наук и профессор кафедры математического моделирования систем и процессов Пермского Политеха, отметил, что результат важен не только как подтверждение универсальности колмогоровской турбулентности. По его словам, реалистичные компьютерные модели солнечного динамо теперь должны воспроизводить не только одиннадцатилетний цикл, но и широкий спектр колебаний с близким показателем.

Ученые рассчитывают, что новое понимание этих процессов поможет точнее прогнозировать космическую погоду. Нынешний двадцать пятый цикл солнечной активности, начавшийся в 2019 году, оказался заметно сильнее прогнозов. Прежний подход, при котором будущую активность оценивали по величине полярного поля в период затишья, для этого цикла оказался недостаточно точным.

Исследователи считают, что модели необходимо совершенствовать, в том числе с применением искусственного интеллекта. По словам Степанова, изменчивость полярного поля особенно полезна для машинного обучения, поскольку содержит широкий набор колебаний, вызванных нелинейными процессами в конвективной зоне.

В дальнейшем проверить выводы помогут новые космические аппараты. Сейчас наблюдения ведет европейский зонд Solar Orbiter, а в перспективе ожидаются полярные обсерватории, включая китайский проект SPO и российский «Интергелиозонд». Они должны дать более подробные снимки и измерения структуры магнитных полюсов Солнца.