Опетнени изчисления

Всеки ден по обед Густав Холмберг става от бюрото си в университета в Лунд (Швеция), за да вземе участие в научен ритуал, чиято традиция идва от времето на Галилей.

Когато се прибере вкъщи, този специалист по история на науката вади скромния си телескоп и внимателно, за да не освети очите си, го насочва към Слънцето.

Отнема му пет минути, за да преброи петната, а резултата изпраща на един белгийски сървър. Тук неговият резултат автоматично се сравнява с числата, получени от 90 други такива наблюдатели от различни страни по света, две трети от които, както и Холмберг, не са професионалисти, а просто любители на астрономията.

По такъв начин се получава „международният брой на петната” на Слънцето – най-старият в света (и един от най-важните!) непрекъснати регистри на подобни данни. „След индекса Дау Джонс това може би е най-използваният архив от цифрови данни”, казва Лейф Свалсгард, специалист по физика на Слънцето от Станфордския университет (Калифорния, САЩ).

По тях специалистите по орбитални спътници прогнозират активността на нашата звезда за близко време и какви последствия може да има тя за космическите апарати. Климатолозите изучават влиянието на слънчевата активност върху климата на Земята в дългосрочна перспектива. Енергетиците предсказват влиянието на слънчевите бури върху функционирането на електроразпределителните мрежи.

Притеснително петно

Но има малък проблем – този регистър не е един, а са два.

И за последните 20 години ентусиастите от конкуриращия архив са открили наличието на тайнствени дефекти в регистъра на броя на слънчевите петна, поставяйки под съмнение неговата достоверност. Наблюдателите са в недоумение, а учените, строящи своите прогнози с него – в задънена улица. Какво да се прави?

Слънчевите петна са по-тъмни от околния фон, температурата на плазмата в тях е по-ниска, те са източник на мощни магнитни полета, взривни изхвърляния на материя и лъчение. Ако не беше защитата на земната атмосфера и магнитното поле на нашата планета, тези изригвания и изхвърляне на материя от Слънцето отдавна да са изгорили всичко живо на Земята.

Когато наблюдателите ги видели в най-първите телескопи в началото на XVII век и започнали редовно да ги броят и регистрират техния брой, те и не подозирали за тези странични явления. Мнозина тогава не вярвали, че на творението Божие, това небесно светило, може да има дефекти, че то е идеално. Смятало се, че това са сенки, хвърляни върху повърхността на Слънцето от другите небесни тела, движещи се по околослънчева орбита.

Галилей първи предположил, че петната се намират на самото светило. През 40-те години на XIX швейцарският астроном Волф усъвършенствал методиката на наблюденията. Всеки ден той прилежно записвал резултатите от своите изчисления, внимателно изучавал записите на своите предшественици, за да продължи регистъра в миналото до 1700 г. До тази година наблюдателите отбелязали продължителен период на много ниска слънчева активност (наречена впоследствие минимум на Маундер), затова Волф сметнал по-ранните данни за недостоверни и не ги включил в своя регистър.

Преброяването на слънчевите петна не е толкова просто, колкото изглежда. Те възникват на тесни групи, в които трудно може да се различи всяко отделно петно. За отчитането на такива неподдаващи се на отчет петна Волф предложил формула за „относителния брой слънчеви петна”, смятайки,че всяка от групите наброява средно по 10 отделни петна. Към изчисленото по такъв начин количество се прибавя броят добре различими отделни петна.

Тъй като различните наблюдатели, разполагащи с различни телескопи, съобщават леко отличаващи се числа, Волф въвел понятието „частично припокриващи се периоди” и присвоил коефициент на корекция за всеки нов наблюдател, за да не противоречат получените от него числа на изчисленото от самия Волф.

Към тази методика той и последователите му се придържали повече от 100 години – данните, получени от всеки нов наблюдател, се кодирали в съответствие с приетия стандарт. Когато през 1981 г. Цюрихската обсерватория прекратила съществуването си, отговорността за компилирането на всички данни, тоест за определянето на т.нар. число на Волф, поел Центърът за анализ на данните за влиянието на слънчевите явления (Solar Influences Data Analysis Center – SIDC) при Белгийската кралска обсерватория в Брюксел.

През 1951 г. Националното управление за океански и атмосферни изследвания на САЩ в Боулдър (щата Колорадо) съставило, прилагайки формулата на Волф и използвайки данните от други наблюдатели, втора база цифрови данни. Като цяло тези два масива достатъчно добре се съгласуват.

Съществуват единадесетгодишни периоди на колебания на слънчевата активност. През всеки от тях тя отначало се повишава до максимума, а след това спада почти до нула.

Мненията за причините за тези колебания се разминават, но максимумът винаги настъпва преди периодично настъпващата смяна на полярността на магнитното поле на Слънцето. Най-близкото такова събитие се очаква всеки момент.

Абсолютните значения на максимумите и минимумите на различните 11-годишни периоди не са еднакви. Наблюдават се продължителни периоди на ниска активност (например минимумът на Маундер) и продължителни периоди с висока. Според някои специалисти по физика на Слънцето сега започва продължителен период на ниска активност.

Но доколко е достоверно това и други подобни предложения? През 80-те години на ХХ век, почти сто години след смъртта на Волф, установената периодичност на измененията на петната, изглежда, аварирала. Дъглас Хойт, специалист по физика на Слънцето, работещ тогава в компанията Research and Data Systems в Грийнбелт (Мериленд, САЩ), открил, че английският астроном Уилям Хершел епизодично водел регистър на слънчевите петна в началото на XIX век, тоест когато, по сведения на Волф, такива наблюдения не се провеждали.

Хойт предположил, че Волф просто не е разполагал с регистъра на английски и вероятно на други езици. Той и Кен Шатън от Центъра за космически полети „Годард” на НАСА започнали търсене из музеи, библиотеки и архиви на обсерваториите от различни страни по света и открили там различни регистри на слънчевите петна. Общо успели да открият около 100 000 регистрационни записа на наблюдения, които били недостъпни за Волф.

Открити били множество наблюдения в периодите на минимума на Маундер, което позволило да се продължи непрекъснатата верига още по-далече в миналото, до първите наблюдения на Галилей от 1610 г. Хойт смята, че е открил не всички съхранени запаси, възможни са и нови находки.

Двата различни масива данни

Тези ранни наблюдатели брояли само групите слънчеви петна, затова сравняването на новия масив, чието съставяне било завършено през 1995 година, с данните, получени по методиката на Волф, можело само след кръстосана проверка и въвеждане на коригиращи коефициенти.

Резултатите от сравнението учудили учените – в някои периоди резултатите от двата масива данни се съгласуват добре, а в други се различават радикално един от друг. В отделни периоди от време до 1885 г. резултатите от сериите наблюдения били два пъти по-малко, отколкото в регистъра на Волф. В периода от 1945 до 1995 г. всички максимуми на Волф били по-високи от изчислените за новия регистър.

Това е проблем. Например от нивото на слънчевата активност зависи скоростта на изпарението на частиците от горните слоеве на земната атмосфера. Повишението на интензивността на този процес води до малко, но осезаемо забавяне на скоростта на движение на космическите апарати на ниски околоземни орбити (например Международната космическа станция).

Въз основа на броя на слънчевите петна се прогнозира слънчевата активност, а това значи – и височината на орбитата, на която може да се изведе спътник, и необходимото количество гориво, и предполагаемата продължителност на експлоатацията на апарата, и стойността на застраховката в случай на излизането му от строя поради слънчеви бури.

ВВС на САЩ въвели новата серия числа на Волф в програмата за управление на своите ракети и спътници.

Но появата на втори масив данни за броя на слънчевите петна създала най-много проблеми на климатолозите. Като добавили към регистъра на Хойт и Шатън многогодишните данни от годишните пръстени на дърветата и от ядрата на полярните ледници, те стигнали до извода, че слънчевата активност постоянно се усилва. Днес тя е по-висока от когато и да било през последните 8000 години. Значи именно нейното усилване, а не парниковият ефект, е основната причина за затоплянето на нашата планета?

Според Свалсгард повече не бива да се примиряваме с оставащата неопределеност. „Нужни са данни, чиято достоверност да не предизвиква толкова сериозни съмнения – казва той. – Тяхната липса е моя вина и на другите изследователи на физиката на Слънцето.”

Преди няколко години ученият решил да вземе необходимите мерки. Той искал да изясни причината за разминаването между двата масива данни и да предостави единно, проверено число, което да не предизвиква ничии съмнения. Сега ученият смята, че заедно с колегите си стои на прага на постигането на тази цел.

Отначало изследователите успели да обяснят резкия скок на числото на Волф от 1945 г. От слънчевата активност зависят и ежедневните колебания на магнитното поле на Земята. Свалсгард забелязал, че след 1945 година те започнали по-зле от преди да корелират с броя на петната на Слънцето. Случил се срив в изчисленията.

Оказало се, че когато в средата на 40-те години Цюрихската обсерватория била оглавена от новия директор Макс Валдмейер, той коригирал методиката на изчисленията, без да каже почти на никого. В резултат числата на Волф, като се започне от 1946 година, се оказали завишени с 20%.

В някои устройства тези числа са залегнали в програмите за управление и там те просто не може да се заменят. Но важни са не абсолютните числа, а ходът на тяхното изменение за дълъг период от време. Свалсгард и колегите му от Научноизследователската лаборатория на ВВС на САЩ, SIDC и други институции са предложили просто да се увеличат всички данни до 1946 г. с 20 процента.

По-трудно е да се отстрани разминаването на двата масива до 1885 г. И все пак две груби грешки са открити. Първата – в регистъра на слънчевите петна, воден от Гринуичката кралска обсерватория от 1894 до 1974 г. По тях Хойт и Шатън калибровали числата, получени от други обсерватории. Но като ги съпоставили с данните на над 20 други действащи обсерватории, открили, че в първите 20 години от този период цифрите на Гринуич все повече и повече се отклонявали от усреднените данни на другите наблюдатели.

Ако на различни участъци от мрежата данни се срещали еднакви цифри, това невинаги означавало, че слънчевата активност в съответните дни е била еднаква.

Друга грешка е открита в последния коригиращ коефициент, с помощта на който Хойт и Шатън осигурявали съпоставимост на своите цифри с числата на Волф. След като Волф започнал да регистрира данните от своите наблюдения, той бил назначен за председател на Швейцарската геодезическа служба и директор на Швейцарската метеорологична служба. Като се започне от 60-те години на XIX век до своята смърт през 1893 г. той почти непрекъснато пътешествал, водейки наблюдения с портативен телескоп, позволяващ да се различат средно с 40% по-малко групи слънчеви петна.

Макар че Волф прилагал за данните коригиращ коефициент, осигуряващ съпоставимост с цюрихските наблюдения, Хойт и Шатън използвали за калибриране на изходните (взети без поправка) числа. Затова било решено да се поправят числата на слънчевите петна в редицата на Хойт и Шатън за периода от до 1885 г. към увеличение, за да се обезпечи тяхната съпоставимост с числата от регистъра на Волф. През май следващата година в Локарно е набелязана среща на учените, на която ще бъде определено доколко точно е необходимо да се коригират цифрите.

Независимо че излезли наяве неговите собствени неточности, Шатън е доволен от своята работа. „Разбира се, неприятно е, когато откриваш грешки в резултатите на собствената си работа – казва той. – Но по-добре да се открият, отколкото да продължаваш да се заблуждаваш.”

„Уточнените данни позволяват да се разбере повече за циклите на слънчевата активност в миналото, а без знаенето на старите събития е невъзможно да се разбере настоящето и да се правят прогнози за бъдещето”, казва Свалсгард.

Климатологично противоречие

Коригираният с отчитане поправките на Свалсгард регистър на количеството слънчеви петна вече не свидетелства за това, че в наше време активността на Слънцето е силна както никога преди.

Всъщност за последните няколкостотин години след минимума на Маундер нейната величина е стабилна. В светлината на новите данни твърдението, че причината за глобалното затопляне не е парниковият ефект, а усилването на слънчевата активност, вече не изглежда обосновано. Впрочем Свалсгард не се надява, че привържениците на тази теория ще се откажат от нея без сериозни дискусии.

Сега поне грешките в данните, използвани по-рано, са поправени и макар учените да възнамеряват да преминат към автоматично събиране на данни, необходими за определянето на международното число слънчеви петна, най-надеждни наблюдатели си остават все пак хората – независимо от всичкото си несъвършенство.

Така че Холмберг ще продължава систематично, спазвайки стандартната методика, безотказно да предоставя резултатите от своите изчисления. Този учен, специалист в съвсем друга област, се гордее, че сериозната наука както преди има нужда от резултатите на неговите любителски наблюдения.

„Приятно е да внасяш своята скромна лепта в толкова важно дело”, казва той.

Материалът е публикуван в руската версия на New Scientist | Ноември 2013