Solfysiker runt om i världen har länge letat efter tillfredsställande förklaringar till solens många cykliska, överlappande aktivitetsfluktuationer. Förutom de mest kända, ungefär 11 år "Schwabe-cykel", solen uppvisar också längre fluktuationer, allt från hundratals till tusentals år. Det följer, till exempel, "Gleissberg-cykeln" (cirka 85 år), "Suess-de Vries-cykeln" (cirka 200 år) och kvasicykeln av "Bond-händelser" (cirka 1500 år), var och en uppkallad efter sina upptäckare. Det är ostridigt att solens magnetfält styr dessa aktivitetsfluktuationer.

Förklaringar och modeller i expertkretsar skiljer sig delvis mycket åt varför magnetfältet överhuvudtaget förändras. Styrs solen externt eller ligger orsaken till de många cyklerna i speciella särdrag hos själva soldynamon? HZDR-forskaren Frank Stefani och hans kollegor har letat efter svar i åratal – främst på den mycket kontroversiella frågan om huruvida planeterna spelar en roll i solaktiviteten.

Rosettformad rörelse av solen kan ge en 193-årscykel

Forskarna har senast tittat närmare på solens omloppsrörelse. Solen förblir inte fixerad i mitten av solsystemet:Den utför en slags dans i det gemensamma gravitationsfältet med de massiva planeterna Jupiter och Saturnus – med en hastighet av 19,86 år. Vi vet från jorden att snurrande runt i dess bana utlöser små rörelser i jordens flytande kärna. Något liknande förekommer också i solen, men detta har hittills försummats med hänsyn till dess magnetfält.

Forskarna kom på idén att en del av solens rörelsemängd i vinkelomloppet skulle kunna överföras till dess rotation och därmed påverka den interna dynamoprocessen som producerar solens magnetfält. En sådan koppling skulle räcka för att ändra den extremt känsliga magnetiska lagringskapaciteten hos takoklinen, ett övergångsområde mellan olika typer av energitransporter i solens inre. "De lindade magnetfälten kunde då lättare fästa mot solens yta, säger Stefani.

Forskarna integrerade en sådan rytmisk störning av tachoklinen i sina tidigare modellberäkningar av en typisk soldynamo, och de kunde således reproducera flera cykliska fenomen som var kända från observationer. Det som var mest anmärkningsvärt var att utöver den 11,07-åriga Schwabe-cykeln som de redan hade modellerat i tidigare arbete, magnetfältets styrka förändrades nu också med en hastighet av 193 år – detta kan vara solens Suess-de Vries-cykel, som från observationer har rapporterats vara 180 till 230 år. Matematiskt, de 193 åren uppstår som en så kallad beatperiod mellan 19,86-årscykeln och den dubbla Schwabe-cykeln, även kallad Hale-cykeln. Suess-de Vries-cykeln skulle alltså vara resultatet av en kombination av två yttre "klockor":planeternas tidvattenkrafter och solens egen rörelse i solsystemets gravitationsfält.

Planeter som en metronom

För 11,07-årscykeln, Stefani och hans forskare hade tidigare hittat starka statistiska bevis för att den måste följa en extern klocka. De kopplade denna "klocka" till tidvattenkrafterna från planeterna Venus, Jorden och Jupiter. Deras effekt är störst när planeterna är i linje:en konstellation som uppstår vart 11,07:e år. När det gäller 193-årscykeln, en känslig fysisk effekt var också här avgörande för att utlösa en tillräcklig effekt av planeternas svaga tidvattenkrafter på soldynamon.

Efter initial skepsis mot planethypotesen, Stefani antar nu att dessa kopplingar inte är tillfälliga. "Om solen spelade oss ett spratt här, då skulle det vara med otrolig perfektion. Eller, faktiskt, vi har en första aning om en fullständig bild av de korta och långa solaktivitetscyklerna." de nuvarande resultaten bekräftar också retroaktivt att 11-årscykeln måste vara en tidsbestämd process. Annat, förekomsten av en taktperiod skulle vara matematiskt omöjlig.

Tippar in i kaos:1000-2000-åriga kollapser är inte mer exakt förutsägbara

Förutom de ganska kortare aktivitetscyklerna, solen uppvisar också långsiktiga trender i tusenårsintervallet. Dessa kännetecknas av långvariga nedgångar i aktivitet, känd som "minima", som den senaste "Maunder Minimum", som inträffade mellan 1645 och 1715 under "Lilla istiden". Genom att statistiskt analysera de observerade minima, forskarna kunde visa att detta inte är cykliska processer, men att deras förekomst med intervaller på ungefär ett till två tusen år följer en matematisk slumpmässig process.

För att verifiera detta i en modell, forskarna utökade sina soldynamo-simuleringar till en längre period på 30, 000 år. Faktiskt, förutom de kortare cyklerna, det fanns oregelbundna, plötsliga fall i magnetisk aktivitet vart 1000:e till 2000:e år. "Vi ser i våra simuleringar hur en nord-sydlig asymmetri bildas, som så småningom blir för stark och går ur synk tills allt kollapsar. Systemet hamnar i kaos och det tar sedan ett tag att komma tillbaka i synkronisering igen, " säger Stefani. Men det här resultatet betyder också att mycket långvariga prognoser för solaktivitet, t.ex. att avgöra påverkan på klimatutvecklingen — är nästan omöjliga.