MPS: долгопериодические колебания управляют дифференциальным вращением Солнца

Механизм обратной связи, ограничивающий дифференциальное (различное на разных широтах — от полюса к экватору) вращение Солнца, обеспечивает высокоширотные долгопериодические колебания. Этот факт установили в своем исследовании ученые из Института Макса Планка по исследованию солнечной системы (MPS), 27 марта сообщает пресс-служба института.

Происхождение дифференциального вращения Солнца до настоящего времени было не до конца понятно ученым, пока группа немецких ученых из MPS не сделала революционное открытие, о котором они доложили научной общественности в статье «Дифференциальное вращение Солнца контролируется высокоширотными бароклинически неустойчивыми инерционными модами», опубликованной в журнале Science Advances.

В статье они сообщают, что долгопериодические солнечные колебания, открытые учеными MPS в 2021 году, являются фактором, контролирующим схему вращения Солнца. Долгопериодические колебания аналогичны бароклинически нестабильным волнам в атмосфере Земли, формирующим погоду на нашей планете.

Такие колебания на Солнце переносят тепло от совсем немного более горячих полюсов к немного более холодному экватору. Чтобы выяснить этот факт, ученые интерпретировали наблюдения Обсерватории солнечной динамики НАСА с помощью передового численного моделирования температур недр Солнца. Оказалось, что разница температур между полюсами и экватором составляет всего около семи градусов.

Дифференциальный характер вращения Солнца выражается в том, что его полюса вращаются с периодом примерно 34 дня, средние широты вращаются быстрее, а экваториальные полный оборот делают примерно за 24 дня.

Причем гелиосейсмологи с помощью солнечных акустических волн установили, что вышеописанный профиль вращения почти постоянен во всей зоне конвекции, составляющей примерно 200 000 километров вглубь от видимой солнечной поверхности. Именно в этом слое происходят сильные возмущения горячей плазмы, которые в основном и обеспечивают солнечный магнетизм и активность.

Хотя теоретические модели уже давно предсказывают небольшую разницу температур между солнечными полюсами и экватором, так как она необходима для поддержания схемы вращения Солнца, но измерить ее оказалось очень сложно, учитывая, что температура глубоких недр Солнца достигает миллионов градусов. Теперь же, согласно исследованиям ученых MPS, можно определить эту разницу температур по наблюдениям длиннопериодических колебаний Солнца.

Анализируя данные наблюдений за 2017–2021 годы, полученные с помощью гелиосейсмического и магнитного томографа (HMI), расположенного на борту Обсерватории солнечной динамики НАСА, ученые MPS три года назад открыли глобальные солнечные колебания с длительными периодами, которые можно увидеть как вихревые движения на солнечной поверхности.

Среди этих наблюдаемых мод особенно большое влияние оказывали высокоширотные моды со скоростями до 70 км/ч. Для изучения нелинейной природы этих высокоширотных колебаний был разработан ряд трехмерных численных моделей.

В них эти колебания переносят тепло от полюсов Солнца к экватору, ограничивая тем самым разницу температур между полюсами Солнца и экватором и доведя ее до величины, меньшей семи градусов.

Как пояснил директор MPS, профессор, доктор Лоран Жизон, «эта очень небольшая разница температур между полюсами и экватором контролирует баланс углового момента на Солнце и, таким образом, является важным механизмом обратной связи для глобальной динамики Солнца».

С помощью своих симуляций исследователи первыми описали важные процессы, происходящие на Солнце, в полностью трехмерной модели, тогда как ранее использовались двумерные подходы, предполагавшие симметрию относительно оси вращения Солнца.

«Сопоставление нелинейного моделирования с наблюдениями позволило нам понять физику долгопериодических колебаний и их роль в управлении дифференциальным вращением Солнца», — рассказал постдок MPS и ведущий автор исследования доктор Юто Бекки.

Доктор Роберт Кэмерон из MPS пояснил, что высокоширотные колебания на Солнце вызываются градиентом температуры также, как формируются внетропические циклоны на Земле. В том и другом случае физика аналогична, хотя детали и отличаются:

«На Солнце солнечный полюс примерно на семь градусов горячее, чем экватор, и этого достаточно, чтобы вызвать потоки со скоростью около 70 километров в час над значительной частью Солнца. Этот процесс чем-то похож на движение циклонов», — отметил он.

Сложности в исследовании физики недр Солнца повышают важность проведенного исследования, поскольку оно дает возможность при исследовании недр Солнца опираться на данные его долгопериодических колебаний. Кроме того, проведенная работа обращает внимание исследователей Солнца на тот факт, что эти колебания играют активную роль в работе Солнца.

В планах исследователей MPS точнее установить роль этих колебаний и их диагностический потенциал в изучении процессов на Солнце.