Вісник НАН України. 2017. № 8. С.18-30
https://doi.org/10.15407/visn2017.08.016

ЩУКІНА Наталія Геннадіївна — 
член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу фізики Сонця Головної астрономічної обсерваторії НАН України

МОНІТОРИНГ ВАРІАЦІЙ ФІЗИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ СОНЦЯ З 11-РІЧНИМ ЦИКЛОМ АКТИВНОСТІ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 31 травня 2017 року

Описано спостережну програму моніторингу довгострокових змін сонячних спектральних ліній. Метою програми є з’ясування того, як фізичні параметри спокійної атмосфери Сонця змінюються протягом 11-річного циклу активності. Спостереження майже 40 ліній нейтральних та іонізованих хімічних елементів здійснюються з 2012 р. на горизонтальному сонячному телескопі АЦУ-5 Головної астрономічної обсерваторії НАН України. Результати моніторингу свідчать, що глибина і ширина більшості ліній у спектрі спокійних ділянок поверхні Сонця корелює зі зміною його загального магнітного поля. Поведінку зазначених параметрів можна пояснити варіаціями температури і поля конвективних швидкостей глибоких шарів спокійної атмосфери Сонця з 11-річним циклом сонячної активності.
Ключві слова: Сонце, телескопи, прилади для спостережень, спектральні лінії, магнітне поле Сонця, 11-річний цикл сонячної активності.

Еволюція Сонця на масштабах часу в мільярди років. Сонце — найближча до нас зоря, випромінювання якої є джерелом життя на Землі. За спектральною класифікацією Сонце належить до зір малої і середньої маси, так званих жовтих карликів типу G2V. Це звичайна зоря з високим вмістом металів, що утворилася із залишків кількох вибухів наднових. Згідно з прийнятими на сьогодні моделями зоряної еволюції, його вік становить близько 4,57 млрд років. Зараз Сонце перебуває приблизно в середині свого життєвого циклу.

Наша зоря — саморегулювальний термоядерний реактор, що забезпечує тривале і стабільне виробництво енергії. Найважливіша реакція — перетворення водню на гелій у ядрі Сонця — триває найдовше (мільярди років). У міру вичерпання запасів водню Сонце стає все гарячішим, а його світність все вищою. Приблизно через мільярд років вона зросте на 10%, і поверхня Землі внаслідок парникового ефекту стане надто гарячою для нині існуючих форм життя. Незважаючи на це, живі організми можуть зберегтися в океанах і в полярних областях. У віці приблизно 12,2 млрд років ядро Сонця розігріється настільки, що почнеться процес горіння водню в його тонкому зовнішньому шарі. Це призведе до розширення зовнішньої оболонки більш ніж у 250 разів порівняно з сучасним радіусом і до збільшення світності у понад 2 тис. разів. Унаслідок цього Сонце стане червоним гігантом. У наступні десятки мільйонів років почнеться термоядерне «горіння» гелію, яке супроводжуватиметься потужними спалахами і подальшим збільшенням світності. Ці спалахи приведуть до того, що зовнішні шари Сонця утворять планетарну туманність. У центрі її залишиться дуже гарячий і щільний білий карлик розміром приблизно із Землю та з температурою поверхні 120 000 К, але протягом багатьох мільярдів років він поступово охолоне і згасне.

Поряд з цими варіаціями світності Сонця є варіації світності на шкалах від сотень тисяч до сотень мільйонів років, а також вікові, з періодом від ста до ста тисяч років, та короткоперіодичні, з періодом 11 років.

Є кілька індексів, що характеризують цю циклічність. Це, по-перше, сонячна стала, по-друге, числа Вольфа W (відносне число плям на Сонці), а також вміст радіоактивного ізотопу вуглецю-14 та інших ізотопів (таких як берилій-10) у льодовиках, деревах і осадових породах. Нагадаємо, що сонячна стала — це кількість енергії, що проходить через площадку 1 м², перпендикулярну до сонячного проміння. На відстані в одну астрономічну одиницю (149,6 млн км) ця стала дорівнює ∼1370 Вт/м².

Варіації Сонця на тимчасових інтервалах 100 тис. — 100 млн років можуть бути зумовлені нестаціонарними процесами в його ядрі та в конвективній зоні. З цим, імовірно, пов’язані основні льодовикові періоди Землі. Дійсно, проміжок часу між головними льодовиковими епохами становить близько 3∙10⁸ років, а тривалість основних льодовикових епох близька до 10⁷ років. Утім, зміни клімату можуть мати і галактичне походження, пов’язане з проходженням Сонячної системи через спіральні рукави Чумацького Шляху з періодом приблизно 250 млн років. При цьому перетинання рукавів є квазіперіодичним, з інтервалом, кратним 10⁷ років. Не можна відкидати і «земне джерело» кліматичних змін — рух тектонічних плит, гороутворювальні процеси, інтенсифікацію вулканізму та ін.

Варіації світності Сонця на шкалі часу менш ніж 100 тис. років найімовірніше спричинені періодичними змінами сонячної конвективної зони, які зумовлені взаємодією гарячого газу, що рухається, з магнітними полями. Сучасні кліматологи вважають, що саме з цією змінністю Сонця можна пов’язати зміни клімату Землі протягом сотень і тисяч років. Зокрема, Рудольф Вольф (Johann Rudolf Wolf), Густав Шперер (Gustav Spörer) і Едвард Маундер (Edward Maunder) виявили винятково низьку сонячну активність між 1645 і 1715 рр. Це явище має назву мінімум Маундера. У цей період сонячна стала знизилася на 0,2%, або приблизно на 3 Вт/м². Серед інших подібних періодів низької активності слід згадати мінімуми Вольфа (1280–1340 рр.), Шперера (1450–1540 рр.) і Дальтона (1790–1830 рр.). Реконструкція даних про варіації сонячної сталої з 1610 по 2010 рр. [1, 2] свідчить, що вони добре корелюють зі змінами числа сонячних плям, а також із вмістом радіоактивних ізотопів у рослинах та крижаних кернах.

Повний текст