Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Lettlands universitet har lagt fram den första heltäckande fysiska förklaringen till solens olika aktivitetscykler. Den identifierar virvelformade strömmar på solen, kända som Rossby-vågor, som förmedlare mellan tidvatteninfluenserna från Venus, jorden såväl som Jupiter och solens magnetiska aktivitet.
Forskarna presenterar därför en konsekvent modell för solcykler av olika längd – och ytterligare ett starkt argument för att stödja den tidigare kontroversiella planethypotesen. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Solar Physics .
Även om solen, som är nära oss, är den bäst undersökta stjärnan, har många frågor om dess fysik ännu inte helt besvarats. Dessa inkluderar de rytmiska fluktuationerna i solaktiviteten. Den mest kända av dessa är att solen i genomsnitt når ett strålningsmaximum vart elfte år – vilket experter kallar Schwabe-cykeln.
Denna aktivitetscykel uppstår eftersom solens magnetfält förändras under denna period och så småningom vänder polariteten. Detta är i sig inte ovanligt för en stjärna – om det inte vore för det faktum att Schwabe-cykeln är anmärkningsvärt stabil.
Schwabe-cykeln överlagras av andra, mindre uppenbara fluktuationer i aktivitet som sträcker sig från några hundra dagar till flera hundra år, var och en uppkallad efter sina upptäckare. Även om det redan har gjorts olika försök att förklara dessa cykler och matematiska beräkningar, finns det fortfarande ingen heltäckande fysisk modell.
Under några år har Dr Frank Stefani från HZDR:s Institute of Fluid Dynamics varit en förespråkare för "planethypotesen" eftersom det är tydligt att planeternas gravitation utövar en tidvatteneffekt på solen, liknande den för månen på jorden . Denna effekt är starkast vart 11,07:e år:närhelst de tre planeterna Venus, Jorden och Jupiter är i linje med solen i en särskilt slående linje, jämförbar med ett vårvatten på jorden när det är ny- eller fullmåne. Detta sammanfaller påfallande med Schwabe-cykeln.
Solens magnetfält bildas av komplexa rörelser av det elektriskt ledande plasmat inuti solen. "Du kan tänka på det som en gigantisk dynamo. Även om denna soldynamo genererar en cirka 11-årig aktivitetscykel i sin egen rätt, tror vi att planeternas inflytande sedan ingriper i denna dynamos funktion och upprepade gånger ger den en liten push och vilket tvingar den ovanligt stabila 11,07-årsrytmen på solen", förklarar Stefani.
För flera år sedan upptäckte han och hans kollegor starka bevis på en klockad process av detta slag i tillgängliga observationsdata. De kunde också korrelera olika solcykler med planeternas rörelse bara genom att använda matematiska metoder. Till en början kunde dock sambandet inte förklaras tillräckligt fysiskt.
"Vi har nu hittat den underliggande fysiska mekanismen. Vi vet hur mycket energi som krävs för att synkronisera dynamo, och vi vet att denna energi kan överföras till solen genom så kallade Rossby-vågor. Det fantastiska är att vi nu inte kan förklarar bara Schwabe-cykeln och längre solcykler men också de kortare Rieger-cyklerna som vi inte ens hade tänkt på tidigare, säger Stefani.
Rossbyvågor är virvelformade strömmar på solen som liknar de storskaliga vågrörelserna i jordens atmosfär som styr hög- och lågtryckssystem.
Forskarna beräknade att tidvattenkrafterna under vårvatten på två av var och en av de tre planeterna Venus, Jorden och Jupiter hade exakt rätt egenskaper för att aktivera Rossby-vågor – en insikt med många konsekvenser.
Först och främst uppnår dessa Rossby-vågor tillräckligt höga hastigheter för att ge soldynamon den nödvändiga drivkraften. För det andra inträffar detta var 118:e, 193:e och 299:e dag i enlighet med Rieger-cyklerna som har observerats på solen. Och för det tredje kan alla ytterligare solcykler beräknas på denna grund.
Det är här matematiken kommer in:Överlagringen av de tre korta Rieger-cyklerna ger automatiskt den framträdande 11,07-åriga Schwabe-cykeln. Och modellen förutsäger till och med långtidsfluktuationer hos solen eftersom solens rörelse runt solsystemets tyngdpunkt orsakar en så kallad slagperiod på 193 år på basis av Schwabe-cykeln.
Detta motsvarar storleksordningen för en annan cykel som har observerats, Suess-de Vries-cykeln.
I detta sammanhang upptäckte forskarna en imponerande korrelation mellan den 193-årsperiod som hade beräknats och periodiska fluktuationer i klimatdata. Detta är ytterligare ett robust argument för planethypotesen eftersom "den skarpa Suess-de Vries-toppen vid 193 år knappast kan förklaras utan fasstabilitet i Schwabe-cykeln, som bara är närvarande i en klockad process", uppskattar Stefani.
Betyder detta att frågan om huruvida solen följer planeternas takt äntligen har besvarats? Stefani säger, "Vi kommer förmodligen bara att vara 100% säkra när vi har mer data. Men argumenten för en process som klockas av planeterna är nu mycket starka."
