Учёные выяснили, что колебания магнитного поля на полюсах Солнца подчиняются фундаментальному закону турбулентности, который ещё в 1941 году открыл советский математик Андрей Колмогоров. Используя 50-летние прямые измерения магнитного поля с обсерватории имени Уилкокса (США) и продвинутый метод обработки данных – вейвлет-анализ, – они обнаружили, что энергия этих колебаний распределена по математическому закону с показателем, близким к –5/3, то есть распределяется между крупными и мелкими колебаниями по универсальному закону турбулентности. Авторы работы считают, что это открытие позволяет по-новому проверить и усовершенствовать физические модели конвективной зоны Солнца – той самой области, где зарождается его магнитное поле.

Солнечная активность, включая хорошо известный 11-летний цикл появления пятен, рождается в недрах звезды – в её конвективной зоне. Это область толщиной около 200 тысяч километров, где раскаленная турбулентная плазма находится в непрерывном движении: горячие потоки поднимаются из глубины к поверхности, а остывшие опускаются обратно.

Именно это хаотичное движение генерирует магнитное поле Солнца, которое затем проявляется в виде пятен, вспышек и выбросов корональной массы. Заглянуть в конвективную зону напрямую невозможно ни с помощью телескопов, ни зондов – она непрозрачна для электромагнитного излучения. Поэтому сейчас изучают солнечную турбулентность лишь по косвенным признакам, в первую очередь – по статистике появления солнечных пятен, связанных с тороидальной компонентой магнитного поля Солнце.

Учёные Пермского Политеха, Института механики сплошных сред УрО РАН и ИЗМИРАН предложили обратиться к прямым измерениям магнитного поля вблизи полюсов Солнца – области, которая долгое время оставалась неизученной. Для этого исследователи использовали уникальные данные, собранные с мая 1976 года на старейшем действующем телескопе-магнитографе обсерватории им. Уилкокса (США). Этот 50-летний массив информации охватил 4,5 солнечных цикла.

В отличие от привычных наблюдений за пятнами, здесь внимание сосредоточено именно на полюсах. А устройство Солнца таково, что именно в этом районе магнитное поле вырывается на поверхность в виде вертикальных лучей – это так называемая полоидальная компонента. Именно она задает магнитные полюсы звезды, которые меняются местами каждые 11 лет, словно перезагружая весь солнечный механизм.

В результате этого впервые в прямых наблюдениях магнитного поля Солнца учёные обнаружили степенной спектр в диапазоне масштабов почти два порядка. То есть они нашли математическую закономерность, которая охватила интервал от одного месяца до 6,5 лет. Именно в этот промежуток индекс наклона спектра – показатель того, насколько быстро затухают колебания с ростом их частоты – оказался близок к знаменитому закону «−5/3», предложенному академиком Андреем Колмогоровым ещё в 1941 году для описания развитой турбулентности.

Понимание этого механизма – путь к точному прогнозированию поведения Солнца. Так как текущий 25-й цикл солнечной активности, который начался в 2019 году, оказался значительно мощнее, чем предсказывали модели на основе «предвестников» по значениям полярного поля в минимуме пятенной активности. Говоря иначе, учёные думали, что по тому, какое поле на полюсах в момент затишья (в минимуме солнечной активности, когда пятен почти нет), можно узнать, каким будет следующий цикл – но для нынешнего этот метод не сработал.

В будущем проверить эти выводы помогут новые космические миссии: европейский Solar Orbiter, а также планируемые полярные обсерватории, включая китайскую SPO и российский проект «Интергелиозонд», которые предоставят ещё более детальные данные о тонкой структуре магнитных полюсов Солнца.