Ученые: в полярном магнитном поле Солнца действует закон турбулентности

Колебания магнитного поля на полюсах Солнца подчиняются фундаментальному закону турбулентности, открытому в 1941 году советским математиком Андреем Колмогоровым, установила команда российских ученых, 14 июля сообщает пресс-служба Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ).

Ученые из ПНИПУ, Института механики сплошных сред (ИМСС) УрО РАН и Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова (ИЗМИРАН) использовали вейвлет-анализ (продвинутый метод обработки данных), обработав 50-летние прямые измерения магнитного поля полюсов Солнца в обсерватории им. Уилкокса (США) и 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.

На практике это открытие, считают авторы исследования, позволит проверить и усовершенствовать физические модели конвективной зоны Солнца, где зарождается его магнитное поле.

Суть своего открытия они представили в статье «Вейвлет-анализ временных флуктуаций полярного магнитного поля Солнца» (Wavelet analysis of temporal fluctuations of the solar polar magnetic field), опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2026 г.

Солнечная активность, в том числе 11-летний цикл появления пятен, зарождается в недрах, конвективной зоне нашей звезды, представляющей зону толщиной около 200 тыс. км, в которй раскаленная турбулентная плазма непрерывно движется: горячие потоки поднимаются из глубины к поверхности, а остывшие опускаются вниз.

Это хаотичное движение и создает магнитное поле Солнца, проявляющееся в виде пятен, вспышек и выбросов корональной массы. Ни телескопы, ни зонды не могут заглянуть в конвективную зону, так как она непрозрачна для электромагнитного излучения.

Поэтому ученым приходилось изучать солнечную турбулентность по косвенным признакам, в первую очередь по статистике появления солнечных пятен, связанных с тороидальной компонентой магнитного поля (горизонтальные силовые линии, «опоясывающие» Солнце).

Новый метод, который предложила команда российских ученых, заключается в прямых измерениях магнитного поля вблизи полюсов Солнца, которые долгое время оставались неизученными. Однако именно в этом районе Солнца магнитное поле вырывается на поверхность в виде вертикальных лучей, называемый полоидальной компонентой. Именно она задает смену местами магнитных полюсов звезды каждые 11 лет, как бы перезагружющую весь солнечный механизм.

При исследовании временных рядов данных 50-летних регулярных замеров магнитного поля полюсов нашей звезды, полученных в обсерватории им. Уилкокса, ученые применили вейвлет-преобразование, что позволило разделить колебания разных периодов, увидеть их изменения во времени и найти математическую закономерность, охватившую интервал от одного месяца до 6,5 года.

В этот промежуток индекс наклона спектра (показатель скорости затухания колебания с ростом их частоты) оказался близок к знаменитому закону «-5/3», предложенному Колмогоровым для описания развитой турбулентности.

Ведущий научный сотрудник ИМСС УрО РАН, профессор кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ПНИПУ доктор физико-математических наук Родион Степанов пояснил:

«Полученные спектральные характеристики — это не просто подтверждение универсальности колмогоровской турбулентности. Теперь любая реалистичная компьютерная модель солнечного динамо должна воспроизводить не только 11-летний цикл, но и заполненный спектр колебаний с индексом, близким к –5/3».

Понимание этого механизма дает путь к точному прогнозированию поведения Солнца, в отличие от моделей на основе «предвестников» по значениям полярного поля в минимуме пятенной активности, которые не смогли предсказать повышенную солнечную активность в текущем 25-м цикле, который начался в 2019 году.

«Это значит, что модели необходимо совершенствовать, в том числе с помощью искусственного интеллекта. Наши результаты показывают, что изменчивость полярного поля имеет особую ценность для машинного обучения, так как содержит широкий спектр колебаний, связанных с нелинейными процессами в конвективной зоне», — добавил Родион Степанов.

Работа команды выполнялась в рамках проекта «Анализ механизмов нерегулярного поведения цикла магнитной активности Солнца на основе численного и лабораторного моделирования анизотропной конвективной турбулентности и обработки наблюдений», получившего поддержку Российского научного фонда.

Проверить выводы, сделанные учеными, помогут как новые космические миссии, например, европейского аппарата Solar Orbiter и будущей китайской Solar Polar-orbit Observatory (SPO), а также российский проект «Интергелиозонд», задачей которых является получение более детальных данные о тонкой структуре магнитных полюсов Солнца.