Недавние исследования показали, что колебания магнитного поля на полюсах Солнца подчиняются классическому закону турбулентности, впервые сформулированному советским математиком Андреем Колмогоровым в 1941 году. Ученые, воспользовавшиеся 50-летними данными о магнитном поле, полученными с обсерватории имени Уилкокса в США, применили современный метод обработки данных — вейвлет-анализ. Благодаря этому они установили, что энергия колебаний распределяется по математическому закону с показателем, близким к –5/3, что свидетельствует о том, что энергия распределена между крупными и мелкими колебаниями согласно универсальному закону турбулентности. Авторы исследования, представляющие Пермский Политех, Институт механики сплошных сред УрО РАН и ИЗМИРАН, уверены, что это открытие открывает новые горизонты для проверки и улучшения физико-математических моделей конвективной зоны Солнца, где формируется его магнитное поле. Подробности можно найти в статье, опубликованной в журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» в 2026 году, работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-72-20067) Газета Новости Кунгурского края.
Солнечная активность, включая 11-летний цикл появления солнечных пятен, происходит в конвективной зоне Солнца — области толщиной около 200 тысяч километров, где раскаленная турбулентная плазма постоянно движется: горячие потоки поднимаются к поверхности, в то время как охлажденные опускаются обратно. Это хаотичное движение и является источником магнитного поля Солнца, которое проявляется в виде пятен, вспышек и выбросов корональной массы. Однако заглянуть в конвективную зону непосредственно невозможно: она непрозрачна для электромагнитного излучения, поэтому ученые исследуют солнечную турбулентность лишь по косвенным признакам, таким как статистика появления солнечных пятен, связанных с тороидальной компонентой магнитного поля.
Научные группы из Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и ИЗМИРАН предложили новый подход к изучению этой области, сосредоточив свои усилия на прямых измерениях магнитного поля вблизи полюсов Солнца, которые долгое время оставались неизученными. Для этого они использовали уникальные данные, собранные с мая 1976 года на старейшем действующем телескопе-магнитографе обсерватории имени Уилкокса в США. За 50 лет исследований было охвачено четыре с половиной солнечных цикла.
В отличие от традиционных наблюдений за солнечными пятнами, исследователи сосредоточили внимание именно на полюсах. Структура Солнца такова, что в этом районе магнитное поле вырывается на поверхность в виде вертикальных лучей, известной как полоидальная компонента. Она определяет магнитные полюсы звезды, которые меняются местами каждые 11 лет, перезагружая весь механизм солнечной активности.
Для анализа временных рядов, полученных за 50 лет регулярных измерений, ученые применили вейвлет-преобразование, что позволяет отделять колебания разных периодов и наблюдать, как они изменяются во времени. В результате этого исследования впервые в прямых наблюдениях магнитного поля Солнца был обнаружен степенной спектр, охватывающий почти два порядка масштабов — от одного месяца до 6,5 лет. В этом диапазоне индекс наклона спектра, показывающий, как быстро затухают колебания с увеличением их частоты, оказался близким к знаменитому закону «-5/3», предложенному Колмогоровым.
По словам профессора кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ и ведущего научного сотрудника ИМСС УрО РАН, Родиона Степанова, полученные спектральные характеристики не только подтверждают универсальность колмогоровской турбулентности, но и подчеркивают, что любая адекватная компьютерная модель солнечного динамо должна учитывать не только 11-летний цикл, но и широкий спектр колебаний с индексом, близким к –5/3.
Понимание механизма солнечной активности является важным шагом к точному прогнозированию поведения Солнца. Текущий 25-й цикл солнечной активности, который начался в 2019 году, оказался значительно мощнее, чем предполагали модели, основанные на «предвестниках» по значениям полярного поля в минимуме пятенной активности. Ученые полагали, что по состоянию поля на полюсах в момент затишья можно предсказать, каким будет следующий цикл, но для текущего это правило не сработало.
Это означает, что модели необходимо усовершенствовать, в том числе с помощью методов искусственного интеллекта. Родиона Степанова добавил, что результаты их исследования показывают, что изменчивость полярного поля обладает особой ценностью для машинного обучения, так как включает широкий спектр колебаний, связанных с нелинейными процессами в конвективной зоне.
В будущем, новые космические миссии, такие как европейский Solar Orbiter и запланированные полярные обсерватории, включая китайскую SPO и российский проект «Интергелиозонд», помогут проверить эти выводы, предоставляя более детальные данные о тонкой структуре магнитных полюсов Солнца.