Минимум Маундера: Период низкой солнечной активности (1645–1715)

Введение

Период низкой солнечной активности, 1645–1715

Маундерский минимум, также известный как «продолжительный минимум солнечных пятен», — это период примерно с 1645 по 1715 год, в течение которого солнечные пятна стали крайне редкими. В течение 28-летнего периода (1672–1699) внутри минимума наблюдения выявили менее 50 солнечных пятен. Это резко контрастирует с типичными 40 000–50 000 солнечными пятнами, наблюдаемыми в современную эпоху за сопоставимый период времени. Маундерский минимум был впервые отмечен Густавом Спорером в публикациях 1887 и 1889 годов, результаты которых были представлены Королевскому астрономическому обществу в Лондоне, а затем расширены солнечными астрономами Эдвардом Уолтером Маундером (1851–1928) и его женой Энни Рассел Маундер (1868–1947), которые также изучали изменение широт солнечных пятен с течением времени. Две статьи были опубликованы под именем Эдварда Маундера в 1890 и 1894 годах, и он ссылался на две более ранние работы Густава Спорера. Поскольку Энни Маундер не имела университетской степени, ограничения того времени помешали публично признать её вклад. Термин «Маундерский минимум» был популяризирован Джоном А. Эдди, опубликовавшим важную статью в журнале Science в 1976 году. Маундерский минимум произошел в период Малого ледникового периода — длительного периода (ок. 1300–1850 гг.) со среднеевропейскими температурами ниже нормы. Снижение солнечной активности могло способствовать климатическому охлаждению, хотя охлаждение началось до наступления солнечного минимума, и его основной причиной считается вулканическая активность.

Наблюдения за солнечными пятнами

Маундерский минимум произошел в период с 1645 по 1715 год, когда наблюдалось очень мало солнечных пятен. Это было не связано с недостатком наблюдений, поскольку в XVII веке Джованни Доменико Кассини проводил систематическую программу наблюдений Солнца в Парижской обсерватории, благодаря астрономам Жану Пикару и Филиппу де Ла Иру. Иоганн Гевелий также проводил самостоятельные наблюдения. Приведены общие данные о количестве солнечных пятен, зарегистрированных, например, в десятилетние периоды (без указания чисел Вольфа). Подробное обсуждение этих наблюдений короны Маундера и частичного восстановления K-короны к моменту события 1715 года представлено в работе Хаякавы и др. (2020).

Маленький ледниковый период

Маундерский минимум примерно совпал со средней частью Малого ледникового периода, в течение которого в Европе и Северной Америке наблюдались температуры ниже среднего. Однако, вопрос о наличии причинно-следственной связи все еще изучается. На сегодняшний день лучшей гипотезой о причине Малого ледникового периода является вулканическая активность. Начало Малого ледникового периода произошло задолго до начала Маундерского минимума, что указывает на то, что снижение солнечной активности не было основной причиной Малого ледникового периода. Корреляция между низкой солнечной активностью и холодными зимами в Англии была проанализирована с использованием самого продолжительного существующего наземного температурного ряда – данных по Центральной Англии. Возможное объяснение этому было предложено наблюдениями, полученными в рамках эксперимента NASA по изучению солнечного излучения и климата, которые показывают, что выход солнечного ультрафиолетового излучения более изменчив в течение солнечного цикла, чем считалось ранее. Исследование 2011 года показало, что низкая солнечная активность связана с поведением струйных течений, что приводит к мягким зимам в одних регионах (южная Европа и Канада/Гренландия) и более холодным зимам в других (северная Европа и Соединенные Штаты). Примерами очень холодных зим в Европе являются 1683–84, 1694–95 и зима 1708–09 годов.

Другие замечания

Прошлая солнечная активность может быть зафиксирована различными прокси-индикаторами, включая углерод-14 и бериллий-10. Они указывают на пониженную солнечную активность во время минимума Маундера. Масштаб изменений, приводящих к образованию углерода-14 в течение одного цикла, невелик (около одного процента от средней концентрации) и может быть учтен при радиоуглеродном датировании для определения возраста археологических артефактов. Интерпретация данных об обилии космогенных изотопов бериллия-10 и углерода-14, хранящихся в наземных резервуарах, таких как ледяные щиты и годичные кольца деревьев, значительно облегчается реконструкциями солнечных и гелиосферных магнитных полей, основанными на исторических данных о геомагнитных бурях, которые восполняют пробел во времени между окончанием периода полезных космогенных изотопов и началом данных, полученных с современных космических аппаратов. Другие исторические минимумы солнечной активности были обнаружены либо непосредственно, либо путем анализа космогенных изотопов; к ним относятся минимум Спорера (1450–1540) и менее выраженный минимум Дальтона (1790–1820). В исследовании 2012 года минимумы солнечной активности были выявлены путем анализа углерода-14 в отложениях озер. Всего за последние 8000 лет было зафиксировано 18 периодов минимумов солнечной активности, и исследования показывают, что Солнце в настоящее время проводит до четверти своего времени в этих минимумах. В статье, основанной на анализе рисунка Джона Флемстида, предполагается, что вращение поверхности Солнца замедлилось в период глубокого минимума Маундера (1684). Во время минимума Маундера полярные сияния наблюдались, по-видимому, с обычной регулярностью, с десятилетним циклом. Это несколько удивительно, поскольку более поздний и менее глубокий минимум солнечной активности Дальтона отчетливо проявляется в частоте появления полярных сияний, по крайней мере, на более низких геомагнитных широтах. Поскольку геомагнитная широта является важным фактором, определяющим появление полярных сияний (полярные сияния на более низких широтах требуют более высокой солнечной активности), необходимо учитывать миграцию населения и другие факторы, которые могли повлиять на количество надежных наблюдателей полярных сияний на данной магнитной широте в более ранние периоды. Десятилетние циклы во время минимума Маундера также наблюдаются в обилии космогенного изотопа бериллия-10 (который, в отличие от углерода-14, можно исследовать с годовым разрешением), но они, по-видимому, находятся в противофазе с остаточной активностью солнечных пятен. В 2012 году было предложено объяснение, основанное на солнечных циклах и потере солнечного магнитного потока. Основные работы о минимуме Маундера опубликованы в сборниках тематических исследований по минимумам Спорера, Маундера и Дальтона.

Past solar activity may be recorded by various proxies, including carbon 14 and beryllium 10. These indicate lower solar activity during the Maunder Minimum. The scale of changes resulting in the production of carbon 14 in one cycle is small (about one percent of medium abundance) and can be taken into account when radiocarbon dating is used to determine the age of archaeological artifacts. The interpretation of the beryllium 10 and carbon 14 cosmogenic isotope abundance records stored in terrestrial reservoirs such as ice sheets and tree rings has been greatly aided by reconstructions of solar and heliospheric magnetic fields based on historic data on geomagnetic storm activity, which bridge the time gap between the end of the usable cosmogenic isotope data and the start of modern spacecraft data. Other historical sunspot minima have been detected either directly or by the analysis of the cosmogenic isotopes; these include the Spörer Minimum (1450–1540), and less markedly the Dalton Minimum (1790–1820). In a 2012 study, sunspot minima have been detected by analysis of carbon 14 in lake sediments. In total, there seem to have been 18 periods of sunspot minima in the last 8,000 years, and studies indicate that the Sun currently spends up to a quarter of its time in these minima. A paper based on an analysis of a drawing by John Flamsteed suggests that the Sun's surface rotation slowed in the deep Maunder Minimum (1684). During the Maunder Minimum aurorae had been observed seemingly normally, with a regular decadal scale cycle. This is somewhat surprising because the later, and less deep, Dalton sunspot minimum is clearly seen in auroral occurrence frequency, at least at lower geomagnetic latitudes. Because geomagnetic latitude is an important factor in auroral occurrence, (lower latitude aurorae requiring higher levels of solar terrestrial activity) it becomes important to allow for population migration and other factors that may have influenced the number of reliable auroral observers at a given magnetic latitude for the earlier dates. Decadal scale cycles during the Maunder Minimum can also be seen in the abundances of the beryllium 10 cosmogenic isotope (which unlike carbon 14 can be studied with annual resolution) but these appear to be in antiphase with any remnant sunspot activity. An explanation in terms of solar cycles in loss of solar magnetic flux was proposed in 2012. The fundamental papers on the Maunder Minimum have been published in Case studies on the Spörer, Maunder and Dalton Minima.