На Солнце существует много процессов, характеризующих его активность. Но наибольшее внимание всегда уделялось солнечным пятнам как признаку солнечной активности, т. е. они имеют самый длительный ряд наблюдений. Средний диаметр солнечных пятен около 37 тыс. км, а наибольший — до 245 тыс. км. Средняя температура в них почти на 2000 К ниже, чем эффективная температура фотосферы. Магнитное поле солнечных пятен много выше, чем в целом для диска Солнца, а полярность лидирующего пятна в биполярной группе противоположна полярности следующего за ним пятна.
В последние годы появились научные работы, в которых делается попытка на основе магнитно-гидродинамической теории объяснить существование циклов солнечных пятен. Такая работа, в частности, выполнена А. С. Мониным. Имеются, однако, и другие идеи, связывающие цикличность в появлении солнечных пятен с аномалиями в поле гравитации, создаваемыми планетами Солнечной системы.
Ниже мы воспользуемся данными о солнечных пятнах для характеристики истории климата. Но при этом все же следует помнить, что при объяснении физических механизмов влияния солнечной активности на погоду и климат необходимо обращаться и к другим признакам активности Солнца, наблюдения за которыми организованы сравнительно недавно или даже в самые последние годы.
Рис. 12. Характеристика циклов солнечной активности, выраженная в числах Вольфа
Впервые солнечная активность по солнечным пятнам была проанализирована в 1843 г. астрономом Г. Швабе, По данным наблюдений за 1826—1843 гг. он установил 10-летний цикл в поведении солнечных пятен. Но их существование было замечено раньше. Так, в Китае было засвидетельствовано наличие больших солнечных пятен на Солнце по крайней мере в XV столетии. В то же время Г. Галилей отметил период отсутствия солнечных пятен около 1610 г. Р. Вольф ввел некоторый комбинированный индекс солнечных пятен, получивший название чисел Вольфа. Он построил временной ход чисел с 1700 по 1847 г. С 1848 г. по настоящее время этот ряд непрерывно пополняется.
Кроме того, по историческим записям и радиоуглеродному анализу срезов деревьев числа Вольфа были восстановлены примерно за последнюю тысячу лет. Оказалось, что они варьируют от 0 до 10 в годы минимума и от 50 до 100 и более в годы максимума солнечной активности (ежедневные вариации колеблются между 0 и 355 или даже больше). В среднем длина цикла пятен оказалась равной 11 годам, хотя она варьирует от 8,5 до 14 лет между соседними минимумами и от 7,3 до 17 лет между соседними максимумами. В 1784—1797 и 1843—1856 гг. длина цикла была 13 лет. Солнечным циклам дана нумерация. Так, с минимума 1755 до минимума 1766 г. был первый цикл, 20-й цикл — с 1964 по 1976 г. Сейчас наблюдается 21-й цикл солнечных пятен, который, по-видимому, является одним из наиболее активных. На рис. 12 приведены солнечные циклы с 1755 по 1978 г. Неоднородность циклов видна даже на глаз, а в деталях это обнаруживается строгими методами анализа. Кроме 11-летней цикличности, можно заметить и более длительные периоды. Так, группа 1, 2, 3 и 4-го циклов сходна с группой 17, 18, 19, 20-го циклов, что дает 180-летнюю периодичность. Группы 5, 6, 7-го и 12, 13, 14-го циклов также сходны, что дает 80-летний цикл солнечных пятен. Их наличие выявляется и более строгими методами статистического анализа.
Если принять во внимание магнитные характеристики солнечных пятен, то на основе этого признака объединяют циклы попарно, т. е. считается, что каждый нечетный цикл имеет положительную полярность, а каждый четный — отрицательную. В сумме нечетная и четная пара циклов дает 22-летний цикл солнечной активности.
Впервые 22-летний цикл, по-видимому, был введен в 1908 г. Хейгом. В последнее время эта идея была существенно развита в работах А. И. Оля и других ученых. Она стала одной из наиболее признанных методик прогноза солнечной активности, разработанной А. И. Олем. На рис. 13 показаны осредненные характеристики чисел Вольфа с 1050 г., восстановленные по радиоуглероду 14С, а также кривая солнечных циклов за период наблюдений с 1700 г. Хорошо видно, что периоду климатического оптимума в X—XIII вв. (1100—1250 гг.) соответствовал максимум чисел Вольфа, малому ледниковому периоду, который был ярко выражен в 1450—1700 гг., — минимум. Более детально в числах Вольфа выделяются минимумы Спорера и Маундера в 1460—1550 и 1645—1715 гг. Им отвечали наиболее холодные интервалы времени малого ледникового периода. Похолодание в 1812—1921 гг. также совпадает с минимумом солнечных пятен.
Рис. 13. Характеристика солнечной активности по числам Вольфа (W), восстановленным по данным радиоуглеродного анализа за последнюю 1 тыс. лет.