Человеческое воображение всегда поражала неистощимость Солнца. Энергия его равна примерно 100 тыс. квт на 1 м2 поверхности светила. Целая электростанция на метровой площадке! Откуда берется такая колоссальная энергия? Наш атомный век, естественно, выдвинул гипотезу, что источником энергии Солнца являются термоядерные реакции. Но, как полагают некоторые ученые, термоядерная природа энергии Солнца еще остается весьма обоснованной, но все же гипотезой. В противовес этой теории выдвинута другая гипотеза о том, что «топливом» Солнца и звезд может быть гравитационная энергия. Того же мнения придерживаются астрофизики и в отношении так называемых квазаров — далеких звездочек, светимость каждой из которых больше целой галактики.
Мы привыкли к мысли, что термоядерная энергия — самая мощная. Но это может быть и иллюзией, рожденной ядерными взрывами. Природа познаваема, и наука будет последовательно снимать покровы с ее глубочайших тайн. А пока наука находится на таком уровне развития, когда с определенностью можно говорить лишь о термоядерной природе энергии Солнца. Солнце подобно огромному реактору, периодически выбрасывающему в космическое пространство колоссальные количества энергии. Гелиофизика, следящего за изменениями солнечной деятельности, можно сравнить с врачом, прослушивающим биение человеческого сердца. Как удары сердца накладываются на ритм дыхания, так и мелкие возмущения Солнца представляют как бы рябь на крупных волнах активности светила. Но в обоих случаях возможно учитывать лишь самые поверхностные симптомы состояния объекта.
Прокат байдарок Ростов. Начинающие любители водных путешествий часто задаются вопросом: в чем же разница каяка и байдарки. Пришло время с этим разобраться.
По современным представлениям науки, Солнце почти на 80% состоит из водорода. Ежесекундно 564 млн. т этого газа в результате ядерных реакций превращается в 560 млн. т гелия. Остальная материя покидает недра Солнца в виде различных излучений. Иными словами, 4 000000 т вещества, обращенного в корпускулы и излучения, разлетается в разные стороны и частично обрушивается на Землю.
В этом водородно-гелиевом шаре остальные элементы периодической системы Менделеева участвуют в реакциях лишь в качестве примесей. С углублением в солнечное вещество его давление критически возрастает и достигает в центре светила примерно 10 млрд. атм. Вещество в недрах Солнца, не теряя основных свойств газа, оказывается плотнее самых твердых материалов. В этой ядерной топке осуществляется так называемый протон-протонный цикл, когда два протона превращаются в ядро дейтерия — тяжелого изотопа водорода, который при соединении с новым протоном образует изотоп гелия. При этом выделяется гамма-квант электромагнитного излучения, позитроны и неуловимо малые частицы нейтрино. На окончательной стадии реакции два изотопа гелия превращаются в обычный гелий и два новых протона. В результате этих превращений только на Землю поступает столько тепловой энергии; сколько можно получить при сжигании 11 600 биллионов т каменного угля одновременно. Сейчас уже предложен ряд других гипотез механизма деятельности Солнца, но они в принципе не меняют сути представлений об энергетическом балансе светила. Мерой прихода лучистой энергии Солнца на границу земной атмосферы служит так называемая солнечная постоянная, определяющая солярный климат нашей планеты. Эта константа представляет то количество энергии, которое попадает на 1 см2/мин. Ее среднее значение не претерпевает колебаний более 2—3% от цифры 1,95 кал/см2/мин. Это оправдывает название солнечной постоянной, но отнюдь не отражает постоянства в деятельности Солнца. Физическая переменность Солнца имеет особый характер.
Под солнечной активностью понимают совокупность всех физических изменений, происходящих на Солнце и вызывающих на нем различные образования. Наука о изменчивости солнечной деятельности родилась сравнительно недавно. Родоначальниками этой области знаний принято считать Г. Галилея, И. Фабрициуса, X. Шейнера и Т. Гарриота. Все они независимо друг от друга в 1610—1611 гг. обнаружили на поверхности Солнца темные пятна.
До того времени темные пятна, согласно непререкаемому мнению церкви, считались либо ошибками наблюдений, либо, как утверждал И. Кеплер, были тенью планет на Солнце. Г. Галилей полностью опроверг бытовавшие мнения. Он установил изменения величины, появление и исчезновение пятен, а также сумел вычислить период обращения Солнца вокруг оси, основывая свой вывод на времени прохождения видимых глазом солнечных образований. Эти наблюдения положили начало физики Солнца и с тех пор за пятнами установилось более или менее регулярное наблюдение. Систематизации знаний о динамике солнечных пятен особенно способствовали работы скромного аптекаря из Германии Г. Швабе, который с поразительным терпением и скрупулезной тщательностью наблюдал за пятнами, зарисовывал их каждый день. В результате почти двадцатилетних трудов он обнаружил чрезвычайно важный факт — изменчивость числа солнечных пятен с периодом 10 лет. Эта работа была опубликована в 1843 г., однако вначале не привлекла внимания. И только после появления в свет в 1851 г. знаменитого труда А. Гумбольдта «Космос», в котором была приведена таблица Г. Швабе, титанический труд исследователя был отмечен золотой медалью Британского Королевского общества. Вслед за этим ряд исследователей пытались уточнить период изменений солнечных пятен. Наиболее тщательно это было сделано директором Цюрихской обсерватории Р. Вольфом (1816—1893 гг.), показавшим в середине XIX в., что основной период солнечной деятельности составляет 11 лет. С тех пор весь мир пользуется числами Вольфа — относительным числом солнечных пятен, меняющихся от 0 до 200.
Однако в цикличности солнечной деятельности много сложностей. Например, угловая скорость вращения солнечного вещества, как это сейчас установлено, уменьшается от солнечного экватора к его полюсам. Поэтому полный оборот точки солнечного экватора совершается за 25,3 дня, в то время как у полюсов оборот вокруг оси происходит почти за 35 дней. В среднем принят 27—28-дневный солнечный «календарь». Пятна видны на светоносной поверхности Солнца в виде темных образований, потому что их температура ниже окружающей фотосферы — видимой нам оболочки Солнца, нагрев которой в среднем составляет около 6000°. Это происходит вследствие частичного превращения тепловой энергии в энергию магнитного поля, которая в области пятен достигает 3 тыс. эрстед.
Это происходит следующим образом. Выделяемая энергия ядерных реакций переносится наружу не только излучением, но частично превращается в механическую энергию движения газов, поднимающихся от центра к поверхности Солнца ввиду разницы температур. Полярный радиус Солнца меньше экваториального, поэтому излучению легче пробиться к полюсам, и там температура оказывается несколько выше, чем у экватора. Разница температур приводит к вертикальной и горизонтальной циркуляции вещества. Это создает своеобразную динамо-машину, генерирующую магнитные поля. Такие районы фотосферы и вышележащих слоев Солнца называются активными областями.
Над активными областями в следующем за фотосферой слое — хромосфере — возникают вспышки, а при наблюдении края Солнца видны отдельные выступы хромосферы, носящие название протуберанцев. Образно говоря, хромосферу Солнца можно назвать «брызгами фотосферы». Правда, такие «брызги» выбрасываются со скоростью 25 км/сек. Протуберанцы могут иметь дугообразную структуру, так как поднимаются из мест образования крупных пятен с сильными магнитными полями, возникающими при бурной конвекции, как бы кипении вещества, идущего горячими струями из глубин Солнца. На высоте выбросов солнечного вещества начинается так называемая корона Солнца, протяженность которой такова, что можно считать, что Земля «купается» в ее лучах. Иначе говоря, околосолнечное пространство простирается до земной атмосферы и солнечные возмущения не могут не затрагивать ее интересы. Одна лишь группа солнечных пятен может покрывать площадь свыше десятка миллиардов квадратных километров, а в всплеске протуберанца может утонуть не один земной шар.
Пятна, факелы, извержения и другие возмущения сосредоточены в каждом из полушарий Солнца преимущественно в узкой экваториальной зоне — от 5 до 35° гелиографической широты. В начале усиления солнечной активности пятна появляются в высоких широтах, а затем спускаются к экватору и здесь угасают. Однако несмотря на малое число пятен у экватора, они имеют для нас большее значение, чем в высоких широтах, поскольку их проекция на Землю более непосредственна. Поэтому ленинградские астрономы М. Н. Гневышев и А. И. Оль ввели особый индекс «геоэффективности» пятен я связанной с этим корпускулярной радиации, в котором учитывается не только число, но и местоположение пятен.
Время, когда на Солнце практически нет пятен, называют эпохой минимума, а при наибольшем числе пятен — эпохой максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Важность индекса запятненности подтверждается тем, что до настоящего времени он служит фундаментом при изучении активности Солнца, благодаря простоте, универсальности и наличию непрерывного ряда его значений с 1700 г. по годовым, а с 1749 г. — по среднемесячным данным. Развитию цикла от минимума до максимум» соответствует ветвь роста, а от максимума до минимума — ветвь спада. Однако эти изменения не строго периодические и правильнее говорить не о периоде, а о цикле солнечных пятен, длина которого меняется от 7, до 16 лет, составляя только в среднем 11,1 года. Имеются и другие солнечные циклы. Основными из короткопериодических циклов являются 27-дневные, связанные с обращением Солнца вокруг своей оси, когда активные области то появляются, то исчезают на обращенной к Земле стороне светила. От этих периодов зависит число магнитных бурь в околоземном пространстве. Максимальное число бурь наблюдается в марте — апреле и сентябре — октябре, поэтому имеется и полугодовая вариация, деятельности Солнца. Из крупномасштабных циклов на Солнце обнаружены 22-летние изменения магнитной полярности пятен. а также 80—90-летний цикл, который называют вековым, циклом солнечной активности.
«Иерархия» солнечных циклов, по-видимому, не заканчивается этим, но на сегодняшний день, основываясь только на наблюдениях за пятнообразованием. нет достаточно точных доказательств существования каких-либо иных циклов. Тем не менее гелиофизики считают реальным 600—800-летние колебания деятельности Солнца. Является ли эта совокупность несвязанным набором независимых друг от друга ритмов или же существует некая стройная система внутренне взаимосвязанных циклов? М. С. Эйгенсон считал, что всякий цикл высшего ранга можно представить как сумму процессов более низкого ранга. Так, вековой цикл состоит из нескольких Н-летних, но и последние, видимо, только лишь «импульс импульсов». Речь идет о гармониках физического режима Солнца, которые не всегда проявляются видимым образом на поверхности.
Блестящим подтверждением этому служат так называемые рекуррентные активные области, не связанные с какими-либо видимыми образованиями на Солнце. Их можно обнаружить только по тем геофизическим эффектам, которые они вызывают. Доказательство существования этих областей основано на 27-дневной повторяемости (рекуррентности) многих земных процессов. Это можно объяснить только вращением Солнца, на поверхности которого имеются магнитные области (М-области). Исходящее из этих областей корпускулярное излучение при столкновении с Землей вызывает существенные природные изменения.
Корпускулярное излучение Солнца состоит нз нескольких компонентов. Непрерывно излучаемые потоки заряженных частиц — протонов- и электронов называют солнечным ветром, а излучение из М-областей, равное нескольким десяткам на., 1 см3, усиленным солнечным ветром, его скорость составляет около .1000 км/сек, что примерно на 25—35% выше, чем при обычно учитываемом солнечном ветре. Да и энергия этих потоков больше обычной иногда в 10 раз. Однако эти показатели, характеризующие М-области, ниже показателей корпускулярного излучения при сильных хромосферных вспышках, дающих в сотни раз большую плотность частиц при двойной их скорости и значительной энергии. Как видим, корпускулярное излучение Солнца количественно, а может быть, и качественно различается при разных состояниях деятельности Солнца, причем внешние показатели этого состояния не всегда можно обнаружить современными средствами.
При приближении к Земле на фронтальной, лобовой части потока корпускул возникают индуцированные электрические токи, как и во всяком проводнике, вносимом в магнитное поле. Магнитосфера Земли затормаживает движение корпускул, а с ночной стороны Земли образуется длинный «шлейф» силовых линий, «сдутых» солнечным ветром. Отдельные частицы солнечной плазмы с большей энергией не отклоняются полем Земли, а проникают сквозь радиационные пояса в полярные зоны, вызывая там северные сияния. Некоторые из особо энергичных частиц достигают атмосферы и затем биосферы. Правда, этих посланцев Космоса не столь много, но они исключительно продуктивны. Сталкиваясь с ядрами атомов в воздухе, частицы высоких энергий выбивают вторичные протоны и нейтроны. Последние, приобретая энергию за счет первичных частиц, в свою очередь, порождают новое поколение частиц и так до тех пор, пока этот процесс не заглохнет с истощением энергии. Подсчитано, что на каждые сто тысяч таких частиц приходится лишь одна, прибывшая из Космоса. Но зато какие красочные явления — полярные сияния — вызывают корпускулы в атмосфере! Однако наблюдение северных сияний в полярных широтах связано не с полюсом вращения Земли, а с ее геомагнитным полюсом, который только приблизительно совпадает с полярными шапками земного шара. Мало того, магнитные полюса постоянно кочуют, изменяя направление и скорость перемещения в зависимости от возмущений космического пространства.
Дело в том, что наша Земля представляет собой как бы огромный магнит, воображаемая ось которого лежит по отношению к оси вращения Земли примерно под углом 11,5°, в результате чего их «концы» расходятся на 1200 км. Магнитные силовые линии окружают земной шар, образуя вокруг него своеобразную броню, защищающую его от солнечного ветра. По силовым линиям магнитосферы корпускулы несутся к полюсам Земли и, приближаясь к плотной воздушной оболочке, создают в ней сполохи — полярные сияния, подобные свечению газа в лампах дневного света. Но полярные сияния иногда возникают сравнительно далеко от полюсов. Обычно это наблюдается при высокой солнечной активности, когда к Земле подходят особо высокоэнергичные частицы, проникающие сквозь магнитосферу даже в наиболее плотных ее частях. Этому способствуют также магнитные бури, «ломающие» стройную структуру магнитосферы Земли. Тогда даже слабые частицы могут проникнуть до тех мест, которые обычно бывают для них запретными. И наоборот, существует так называемый Форбуш-эффект, когда при некоторых магнитных бурях интенсивность космических лучей Из галактики сильно уменьшается. Как видим, в работе солнечной машины и в земных ее отголосках много сложностей, но для нас сейчас важно отметить, что земная атмосфера является небезучастным свидетелем космических дел. В частности, большое значение имеют изменения давления воздуха, связанные с капризами погоды. При снижении давления только на 1 мб интенсивность космических лучей возрастает уже на 0,15%. А как известно, при прохождении атмосферных фронтов барометрическое давление может колебаться на десятки миллибар.
Таким образом, на вторжение солнечных корпускул большое влияние оказывает состояние магнитного поля и атмосферы, что отражается на распределении космических частиц у поверхностных слоев атмосферы, в которой поглощаются сначала мягкие, а затем все более жесткие частицы. При этом, по мнению ряда ученых, они передают свою энергию атмосфере, что сказывается на ее циркуляции и, следовательно, на условиях жизни в биосфере.
