Трехмерная визуализация высокоширотных колебаний Солнца. Снимок линий тока долгопериодных высокоширотных колебаний в зоне конвекции. Красным и синим цветами обозначены прямые (так же, как вращение) и ретроградные (противоположные вращению) зональные потоки соответственно. Фото: MPS / Ю. Бекки

Дифференциальный характер вращения Солнца озадачивал ученых на протяжении десятилетий: в то время как полюса вращаются с периодом около 34 дней, средние широты вращаются быстрее, а экваториальному региону для полного оборота требуется всего около 24 дней.

Кроме того, достижения гелиосейсмологии (т. е. исследования недр Солнца с помощью солнечных акустических волн) установили, что этот профиль вращения почти постоянен во всей зоне конвекции. Этот слой Солнца простирается с глубины примерно 200 000 километров до видимой солнечной поверхности и является домом для сильных возмущений горячей плазмы, которые играют решающую роль в обеспечении солнечного магнетизма и активности.

Хотя теоретические модели уже давно постулируют небольшую разницу температур между солнечными полюсами и экватором, необходимую для поддержания режима вращения Солнца, оказалось, что измерить ее чрезвычайно сложно. В конце концов, наблюдениям приходится «просматривать» фон глубоких недр Солнца, температура которого достигает миллиона градусов. Однако, как показывают исследователи из Института исследований Солнечной системы Макса Планка (MPS), теперь можно определить разницу температур на основе наблюдений за долгопериодическими колебаниями Солнца.

Работа опубликована в журнале Science Advances.

В своем анализе данных наблюдений, полученных с помощью гелиосейсмического и магнитного формирователя изображений (HMI) на борту Обсерватории солнечной динамики НАСА с 2017 по 2021 год, ученые обратились к глобальным солнечным колебаниям с длительными периодами, которые можно различить как вихревые движения на солнечной поверхности. Ученые из MPS сообщили об открытии этих инерционных колебаний три года назад. Среди этих наблюдаемых мод особенно влиятельными оказались высокоширотные моды со скоростями до 70 км/ч.

Чтобы изучить нелинейную природу этих высокоширотных колебаний, команда провела ряд трехмерных численных моделей. В их моделировании высокоширотные колебания переносят тепло от полюсов Солнца к экватору, что ограничивает разницу температур между полюсами Солнца и экватором менее семи градусов.

«Эта очень небольшая разница температур между полюсами и экватором контролирует баланс углового момента на Солнце и, таким образом, является важным механизмом обратной связи для глобальной динамики Солнца», — говорит директор MPS профессор, доктор Лоран Жизон.

В своих симуляциях исследователи впервые описали важные процессы в полностью трехмерной модели. Прежние попытки ограничивались двумерными подходами, предполагавшими симметрию относительно оси вращения Солнца.

«Сопоставление нелинейного моделирования с наблюдениями позволило нам понять физику долгопериодических колебаний и их роль в управлении дифференциальным вращением Солнца», — говорит постдок MPS и ведущий автор исследования доктор Юто Бекки.

Солнечные высокоширотные колебания вызываются градиентом температуры аналогично внетропическим циклонам на Земле. Физика аналогична, хотя детали различаются: «На Солнце солнечный полюс примерно на семь градусов горячее, чем экватор, и этого достаточно, чтобы на значительной части Солнца возникали потоки со скоростью около 70 километров в час, это что-то похожее на движение циклонов», — говорит ученый MPS доктор Роберт Кэмерон.

Исследовать физику недр Солнца сложно. Это исследование важно, поскольку оно показывает, что долгопериодические колебания Солнца являются не только полезными исследованиями недр Солнца, но и играют активную роль в работе Солнца. Будущая работа будет направлена на лучшее понимание роли этих колебаний и их диагностического потенциала.