Правило полярности Хейла
Пра́вило поля́рности Хе́йла, правило, описывающее расположение групп солнечных пятен с разным направлением магнитного поля (полярностью) на широтно-временнóй диаграмме. Сформулировано Дж. Хейлом в начале 20 в. на основании первых наблюдений магнитных полей в солнечных пятнах (The Magnetic Polarity of Sun-Spots. 1919).
Солнечные пятна, т. е. участки пониженной температуры на солнечной фотосфере, возникают в местах сильной концентрации магнитного потока, где выходит на поверхность Солнца или входит под поверхность трубка сильного магнитного поля (рис. 1).
Рис. 1. Силовые линии магнитного поля в биполярной группе солнечных пятен. Буквами «г» и «х» обозначены соответственно головное (ведущее) и хвостовое (ведомое) пятна группы. Горизонтальная стрелка показывает направление вращения Солнца. Для каждого пятна можно ввести понятие полярности, соответствующее направлению силовых линий магнитного поля в пятне. Для пятен одной полярности магнитное поле в этом пятне выходит из-под видимой поверхности Солнца, а для другой – входит под эту поверхность. Какую из этих полярностей считать положительной, а какую отрицательной – вопрос соглашения. Солнечные пятна обычно появляются биполярными группами, которые ориентированы приблизительно вдоль солнечного экватора. При этом то пятно, гелиографическая долгота которого в направлении вращения больше, называется ведущим, или головным, а запаздывающее пятно – ведомым, или хвостовым. Ведущее и хвостовое пятна имеют противоположные полярности магнитного поля (рис. 1, 2).
Рис. 2. Сверху: оптические изображения фотосферы Солнца с группами солнечных пятен, полученные во время 24-го (слева) и 25-го (справа) циклов солнечной активности. Снизу: магнитограммы, показывающие распределение магнитных полей по диску Солнца и полученные одновременно с соответствующими оптическими изображениями. Светлые и тёмные участки соответствуют полям разной полярности. Видно, что: а) в северном и южном полушариях Солнца группы солнечных пятен имеют разные полярности; б) в следующем цикле солнечной активности эти полярности в обоих полушариях меняются на противоположные. Изображения получены инструментом HMI космической обсерватории SDO (NASA).Широтно-временнáя диаграмма (баттерфляй-диаграмма) – удобный метод представления солнечных пятен и других индикаторов солнечной активности в виде точек на плоскости, на горизонтальной оси которой откладывается время наблюдения, а на вертикальной – гелиографическая широта. Диаграмма введена в физику Солнца Э. Маундером и его женой Э. Маундер. На широтно-временно́й диаграмме солнечный цикл Швабе выглядит как две волны активности, которые бегут навстречу друг другу от средних широт к солнечному экватору (рис. 3). За каждый цикл по каждому полушарию распространяется одна волна. Согласно правилу полярности Хейла, для каждого солнечного цикла волны активности в северном и южном полушариях Солнца имеют противоположные знаки полярности ведущих и хвостовых пятен. Таким образом, ориентация магнитного поля в биполярных группах солнечных пятен в северном и южном полушариях противоположна. В каждом следующем цикле эти полярности в обоих полушариях меняются на противоположные (рис. 2, 3).
Правило полярности Хейла выполняется не для всех групп солнечных пятен, встречаются исключения; к некоторым группам сложного строения оно вовсе не может быть приложено.
Рис. 3. Широтно-временны́е диаграммы для нескольких циклов солнечной активности 20 в. Центральная горизонтальная красная линия одновременно обозначает солнечный экватор и ось времени. Точками обозначены положения (время наблюдения и широта) групп солнечных пятен. Двумя цветами условно указаны две разные полярности групп солнечных пятен. Рисунок упрощён (генерализован) для того, чтобы несущественные детали не затрудняли восприятие. Поэтому на осях координат не указаны точные обозначения года и широты. Выполнено по материалам из статьи: Sokoloff D., Nesme-Ribes E. The Maunder minimum: a mixed parity dynamo mode? / Astronomy & Astrophysics. 1994. Vol. 288. P. 293–298.С точки зрения теории солнечного динамо, правило полярности Хейла выражает тот факт, что крупномасштабное магнитное поле Солнца антисимметрично по отношению к солнечному экватору. Такой тип симметрии называется дипольным (в частности, магнитное поле диполя имеет дипольную симметрию).
Уравнения солнечного динамо имеют решения, симметрия которых соответствует правилу полярности Хейла. В этом смысле правило Хейла находит объяснение в теории динамо. Наряду с решениями дипольной симметрии эти уравнения могут иметь и решения противоположной, квадрупольной, симметрии (т. е. магнитное поле симметрично относительно экватора). С точки зрения теории динамо естественно ожидать, что на некоторых звёздах магнитное поле должно иметь квадрупольную симметрию, однако проверка этой гипотезы пока выходит за рамки возможностей современной астрономии.
Уравнения солнечного динамо в некоторой области управляющих параметров могут иметь и решения смешанной симметрии. Возможно, именно так обстояло дело на Солнце в конце минимума Маундера, поскольку в это время солнечные пятна наблюдались почти исключительно в одном полушарии Солнца.