Максимумы «цикла солнечных пятен» наблюдаются с примерно 11-летней периодичностью. Пятна всегда располагаются парами или группами в двух широтных поясах, лежащих севернее и южнее солнечного экватора. Они не покидают эти широтные пояса в течение всего времени своего существования, которое варьируется от нескольких дней до нескольких недель. Так как Солнце вращается вокруг своей оси с периодичностью около 27 суток, то создается впечатление, что пары и группы пятен движутся по поверхности светила с востока на запад, будучи видны до 14 дней при перемещении от одного края солнечного диска до другого, а затем скрываются от земного наблюдателя, возвращаясь по обратной стороне диска. При достаточном времени жизни пятен их можно вновь увидеть примерно через 14 дней.
Ведущие и ведомые пятна в парах или группах обладают противоположными полярностями магнитных полей. Кроме того, если ведущие пятна в широтном поясе южного полушария имеют определенную полярность, то у ведущих пятен в поясе северного полушария полярность противоположна. То есть направления магнитных полей между ведущими и ведомыми пятнами противоположны в северном и южном полушариях Солнца.
Каждый «новый» цикл активности начинается с минимума, следующего за предыдущим максимумом. При приближении к этому минимуму несколько пятен от «старого цикла» располагаются в северном и южном широтных поясах очень близко к солнечному экватору (около 5° с.ш. и ю.ш.). В самом начале нового цикла на Солнце почти нет пятен, а затем они начинают появляться в высокоширотных областях поясов (около 30° с.ш. и ю.ш.), причем полярности их магнитных полей противоположны полярностям пятен старого цикла. В результате старый и новый циклы взаимно перекрываются в течение некоторого промежутка времени Соответствующие им пятна различаются как по широте местоположения, так и по полярности. Странно, что пятна нового цикла в основном не появляются одновременно в северном и южном полушариях.
При развитии цикла число пятен растет, и они появляются все ближе и ближе к солнечному экватору. В максимуме солнечной активности пятна фуппируются в поясах с широтами порядка 15° севернее и южнее экватора. При спаде цикла количество пятен уменьшается, и области их расположения смещаются в широты примерно 5°
Индексы активности
Для оценки солнечной активности используются различные параметры. Наиболее важными из них являются число Вольфа Rz (цюрихское относительное число солнечных пятен) и индекс F107, характеризующий поток радиоизлучения с длиной волны 10,7 см. Непосредственной связи между ними нет, и для упрощения обсуждения мы будем учитывать только Rz. Характеризующее пятнообразо- вательную деятельность Солнца число Вольфа представляет собой количество пятен, «взвешенное» по их площади. (Оно определяется по формуле Rz = k(f + 10д), где f — общее число пятен на видимой полусфере Солнца, g — число групп пятен, к — нормировочный коэффициент для приведения наблюдательных данных различных обсерваторий к стандартной шкале цюрихских чисел. При подсчете f каждое ядро (тень), отделенное от соседнего ядра полутенью, и каждая пора (маленькое пятно без полутени) полагаются пятнами. При подсчете g каждое отдельное пятно и отдельная пора также считаются за группу).
Солнечный магнитный цикл
Цикл активности с его солнечными пятнами, вспышками и выбросами корональной массы (ВКМ) является следствием цикличности магнитной активности внутри Солнца с периодом около 22 лет. В очень крупном масштабе Солнце обладает глобальным средним магнитным полем с индукцией примерно 1 Гаусс. По существу, оно является диполем с осью, проходящей через полюса. Примерно через каждые 11 лет, во время максимума солнечной активности, полярность магнитного поля изменяется на обратную. В результате, полный цикл переориентации поля с юга на север и наоборот осуществляется с периодичностью около 22 лет. Каждый магнитный полуцикл вызывает повышение пятно- образующей активности Солнца с 11-летним периодом.
Магнитный цикл является следствием периодического перераспределения крупномасштабных потоков плазмы внутри Солнца. При наличии турбулентных движений взаимодействующие между собой потоки заряженных частиц могут усиливать до нескольких тысяч гаусс (десятых тесла) в относительно малых объемах первоначально слабые магнитные поля и поддерживать их. Такой процесс получил название гидромагнитного динамо. Именно сильными локальными полями обусловлена солнечная активность, проявляющаяся в виде пятен, вспышек, выбросе частиц и лучевой энергии.
Конвективная зона
Внешний шаровой слой Солнца с внутренним радиусом около 0,7 радиуса светила является кипящей конвективной областью. Энергия, выделяемая в результате идущих в ядре Солнца термоядерных реакций синтеза, переносится наружу за счет многократного поглощения и переизлучения фотонов. Однако во внешнем слое вещество конвективно неустойчиво (подобно восходящим потокам воздуха во время грозы в жаркий летний день), и энергия в основном переносится гигантскими турбулентными потоками вещества, скорость которых возрастает при приближении к поверхности. У самой поверхности эффективность конвективного теплопереноса резко падает в силу малой плотности вещества, и энергия вновь переносится излучением. Охлажденное газообразное вещество движется вниз для повторного нагрева и подъема.
Из-за своей газообразности конвективная зона вращается не так, как твердое тело. Ее экваториальные области вращаются быстрее, чем расположенные у полюсов: период обращения для первых составляет около 25 суток, а для вторых — примерно 35 суток. Этот эффект называют дифференциальным вращением.
Фаза нарастания
По одной из широко распространенных теорий, в начале цикла крупномасштабное полоидальное (лежащее в плоскости, проходящей через ось вращения Солнца) магнитное поле обладает двумя полюсами. Однако идущие от полюса к полюсу сквозь Солнце магнитные силовые линии не могут оставаться прямыми линиями с севера на юг. Дифференциальное (неоднородное) вращение конвективной зоны тянет «вмороженные» в солнечную плазму магнитные поля в западном направлении тем сильнее, чем они ближе к экватору. Со временем силовые линии все больше окутывают солнечный шар параллельно экватору. В результате, через несколько месяцев крупномасшатабное полоидальное магнитное поле трансформируется в два тороидальных магнитных поля, перпендикулярных оси вращения Солнца, плоскости которых располагаются севернее и южнее экватора. Эти два кольцеобразных поля обладают противоположными полярностями: силовые линии одного из них направлены вокруг Солнца с востока на запад, а другого — с запада на восток.
То, что солнечные пятна располагаются в двух широтных поясах, обусловлено существованием двух тороидальных полей под этими поясами. Некоторые фрагменты этих полей всплывают вверх над поверхностью и растекаются (они часто представляют собой два «холма» поля противоположной полярности с напряженностью от десятков килоампер на метр. Встречается и мультиполярная структура этих образований. При напряженности в «холме» более 1,1×10 А/м на фотосфере возникает темная область — пора, а для полей выше 1,6 х 105А/м — пятно. Многочисленные локальные магнитные поля иногда порождают очень сложные группы солнечных пятен.
Максимум активности
При приближении к максимуму солнечной активности все большая и большая часть полоидального поля преобразуется в два тороидальных поля, и эти поля приближаются к экватору, увлекая за собой пятна. В результате нарастания тороидального поля увеличивается «просачивание» энергии в поверхностные локальные поля, и пятнообразовательная активность растет. Активность достигает своего максимума тогда, когда вся наличная энергия полоидального поля перейдет в тороидальные поля В этот момент старое полоидальное поле практически исчезает Тороидальные поля, в свою очередь, начинают генерировать новое, очень слабое полоидальное поле с обратной полярностью посредством закручивания силовых линий под действием силы Кориолиса в конвективных потоках.
Северный и южный циклы
На самом деле, как пятна нового цикла не начинают появляться одновременно в южном и северном полушариях, так и тороидальные поля в этих полушариях обычно не достигают своих максимумов одновременно. Моменты переполюсовки полей в полушариях могут различаться на месяцы и даже более чем на год. Кажется, что каждое полушарие обладает собственным временным циклом. Периоды этих циклов подобны, но не тождественны. Оба они варьируются во времени, но обычно ресинхронизируются время от времени, так как их связывает зависимость от общего фонда суммарной магнитной энергии Солнца.
Если велик фазовый сдвиг между циклами полушарий, то наблюдается двугорбый максимум — именно такой была эволюция активности в ходе 23-го цикла, что явилось результатом опережения процессов в северном полушарии относительно южного примерно на год. При одновременном появлении максимумов в полушариях кривая вариации во времени активности оказывается одногорбой. Если при этом максимумы в обоих полушариях велики, то суммарная пиковая активность становится очень высокой, как это наблюдалось в 19-м цикле (1958 г., Rz = 201).
Фазы слада
После достижения максимума солнечной активности интенсивности тороидальных полей у оснований пятен начинают спадать, а полоидальное поле с измененной полярностью начинает усиливаться. Два магнитных тороида продолжают смещаться к экватору, увлекая за собой порожденные ими пятна, число которых постепенно снижается.
Национальная солнечная обсерватория (NSO) зарегистрировала 23 июля 2006 г. первую пару солнечных пятен, и относящуюся к новому, 24-му, циклу.