Два маятника Солнца: как связанные колебания рождают 90-летний ритм ✎

Оригинал: "Application of Coupled Harmonic Oscillator model to Solar Activity and El Niño Phenomena"
· Yasushi Muraki
arXiv:1706.09105 · 2017-06-28 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Модель двух связанных осцилляторов объясняет 89-летний цикл Гляйсберга и 22-летнюю периодичность в кольцах якусимского кедра.

Контекст

Солнечная активность оставляет следы в земных архивах: в кольцах якусимского кедра, жившего 1924 года, обнаружили 11- и 22-летние периодичности даже во времена великих минимумов, таких как минимум Маундера. Соседние работы в архиве исследуют солнечный ветер, приливные ритмы, нейтринные осцилляции и гравитационные волны от нейтронных звёзд, но данная статья стоит особняком: она строит феноменологическую модель, связывающую солнечный динамо-цикл с океаническими колебаниями. Прямых аналогов среди ближайших соседей нет, ближайший тематически — исследование нейтринных осцилляций, но оно касается физики частиц, а не макроскопических ритмов.

Методы

Автор анализирует 315-летний ряд чисел Вольфа (1700–2015) с помощью преобразования Фурье и выбирает два пика на уровне значимости 2σ: 12,05 года и 9,52 года. Эти два периода становятся частотами двух гармонических осцилляторов. Их суперпозиция даёт биения: средний период 10,6 года и модуляцию с периодом 89 лет. Ту же процедуру применяют к данным по Эль-Ниньо: берут наблюдаемые периоды 5,35±0,6 года и 3,55±0,25 года, их суммарный сигнал порождает огибающую с периодом 21,5±5 лет. Для связи с физикой Солнца используют гелиосейсмические наблюдения SDO/MDI, выявившие двухслойную меридиональную циркуляцию: внешняя ячейка течёт от экватора к полюсам на глубинах 0,82–0,91 радиуса Солнца, внутренняя — на 0,70–0,82 радиуса. Тороидальные токи этих ячеек рассматриваются как связанные контуры, взаимодействующие по закону Ленца.

Результаты

Суперпозиция двух солнечных осцилляторов с периодами 12,05 и 9,52 года воспроизводит 89-летний цикл Гляйсберга, известный по независимым данным углерода-13 в кольцах кедра. При этом 22-летняя периодичность в солнечных данных моделью не воспроизводится. Зато применение той же модели к Эль-Ниньо с периодами 5,35 и 3,55 года даёт 21,5±5-летнюю огибающую, которая совпадает с 22-летним сигналом в древесных кольцах. Автор оценивает силу тороидального тока внешней ячейки в 3×$10^{11}$ А, исходя из поля $10^{-4}$ Тл на полюсе, а в зоне сближения ячеек на глубине 0,85 радиуса Солнца ожидает поля до 1000 гаусс, сравнимые с полями солнечных пятен. Два типа формы минимумов космических лучей (плоские и острые пики) объясняются тем, какой осциллятор — внешний или внутренний — доминирует в данный момент.

Значение

Работа предлагает единый механизм для солнечного динамо и океанических осцилляций, сводя сложную динамику к взаимодействию двух мод. В отличие от соседних исследований, которые либо анализируют отдельные сигналы (солнечный ветер, приливы, нейтрино), либо строят численные модели, здесь дана простая аналитическая схема, связывающая гелиосейсмическую структуру конвективной зоны с наблюдаемыми периодами. Это феноменологический мост между микроскопической турбулентностью и макроскопическими циклами, подобный связи термодинамики и статистической механики.

Развитие

Модель можно расширить, включив нелинейные взаимодействия между ячейками, асимметрию северного и южного полушарий и стохастическую накачку турбулентностью. Перспективно связать параметры осцилляторов с наблюдаемой скоростью меридионального потока (около 10 м/с на высоких широтах) и проверить предсказания на длительных рядах солнечных пятен и космических лучей. Для Эль-Ниньо стоит исследовать, как связанные осцилляторы взаимодействуют с Тиоокеанской декадной осцилляцией и другими модами.

Влияние

Результаты важны для физики Солнца, климатологии и дендрохронологии: они предлагают интерпретацию 22-летнего сигнала в древесных кольцах как отклика на Эль-Ниньо, а не на солнечную активность напрямую.

Следующие шаги

Проверить модель на независимых данных: длинные ряды солнечных пятен, реконструкции солнечной активности по изотопам, наблюдения меридиональной циркуляции в реальном времени. Сравнить предсказания с глобальными климатическими моделями, включающими Эль-Ниньо.

Ключевые проблемы

В физике Солнца остаётся нерешённым вопрос о происхождении 22-летнего магнитного цикла и его связи с меридиональной циркуляцией. Модель связанных осцилляторов предлагает конкретный механизм, но не объясняет, почему периоды ячеек именно таковы и как они синхронизируются. Для климатологии открыт вопрос о том, как океанические осцилляции модулируют региональный климат на декадных масштабах.

Якусимский кедр, по кольцам которого нашли 22-летний сигнал, живёт на острове Якусима, где годовое количество осадков достигает 4000–10000 мм — это одно из самых влажных мест Японии.

\psi = \sin(\omega_A t + \alpha) + \sin(\omega_B t) = 2 \sin\left(\frac{\omega_A+\omega_B}{2}t + \frac{\alpha}{2}\right) \cos\left(\frac{\omega_A-\omega_B}{2}t + \frac{\alpha}{2}\right)
Сумма двух синусоид с близкими частотами даёт колебание со средней частотой и медленную огибающую с разностной частотой.
B = \frac{\mu I}{2\sqrt{8} R}
Магнитное поле на полюсе создаётся тороидальным током I, текущим на расстоянии R; отсюда ток оценивается в 3×10^11 А.

Ключевые числа

  • Период цикла Гляйсберга: 89 лет
  • Периоды солнечных осцилляторов: 12,05 и 9,52 года
  • Периоды осцилляторов Эль-Ниньо: 5,35 и 3,55 года
  • Скорость меридионального потока: около 10 м/с
  • Оценка тороидального тока: 3×1011 А
Понятия
модель осциллятора с подзарядкой южная осцилляция эль-ниньо энсо многомерный индекс ЭНСО модель Джина–Тиммермана ла-нинья связь океана и атмосферы индекс Эль-Ниньо солнечный цикл смешанные моды колебаний квазидвухлетняя осцилляция сезонный цикл сезонный форсинг эффект конденсатора Индийского океана буйковые станции TAO/TRITON межгодовая изменчивость естественная изменчивость весенний барьер предсказуемости ERSST NOAA CPC