Наблюдение за Солнцем

Наблюдение за Солнцем. В течение тысячелетий люди занимались главным образом наблю¬дениями за положением Солнца на небе, за его движением по небесному своду.

Некоторые просвещенные мыслители древности полагали даже, что и Солнце и Луна каждый вечер потухают, а на следующий день их заменяют новые солнца и луны. Счи¬талось также, что Солнце — прозрач¬ный, как стекло, шар, получающий тепло и свет от некоего центрального огня «хестиа» и от огня, находящегося за пределами небесной сферы.

Постепенно в древности сформировалось представление о том, что наше Солнце — «око мира» — небесное тело, состоящее из чистого света и огня. Эта точка зрения была поколеб¬лена в XVII веке, когда телескопы обнаружили пятна на Солнце. Снача¬ла их сравнивали со шлаками, по ана¬логии с расплавленным металлом, но затем постепенно стали появляться идеи о темном теле Солнца, окружен¬ном океаном огня. Здесь тоже прово¬дилась аналогия, но уже с Землей, окруженной океаном воды. В этой аналогии пятнам отводилась роль гор, возвышающихся над огненным океа¬ном. Однако более детальное изучение структуры пятен заставило астроно¬мов отказаться от этой мысли.

Пятна стали считать дырками в яркой обо¬лочке, через которые можно видеть темную поверхность Солнца. Поразительно, что великий Гершель в 1795 году предположил, будто Солнце является обителью живых существ. Огненный океан расположен над ними, а плотный слой облаков защищает жителей Солнца от жары. В качестве аргумента против того, что жар может уничтожить жизнь на Солнце, Гершель указывал на пони¬жение температуры в горах на Земле, то есть в областях поверхности, рас¬положенных ближе к Солнцу.

Гер¬шель писал: « оно (Солнце.— Л. М.) весьма вероятно, так же как и остальные планеты, населено живыми существами, органы которых приспособлены к особым условиям этого обширного небесного тела». Замечательно, что столь наивные, на наш взгляд, представления продержались в умах людей до второй поло вины XIX века, то есть до тех пор, когда появилось учение об энергии.

Это является ярким свидетельством того, насколько физика отставала в те времена от наблюдательной астрономии. Лишь появление спектрального анализа дало возможность полностью пересмотреть представления о Солнце. Изучение фраунгоферовых линий солнечного спектра продемонстрировало поразительную вещь: эти линии совпадали с эмиссионными линиями многих элементов, присутствующих на Земле. Кирхгоф, измеривший положение фраунгоферовых линий поглощения в спектре Солнца, сделал абсолютно верное предположение о том, что химические элементы, встречающиеся на Земле, есть и в атмосфе¬ре Солнца.

Таким образом, спектральный анализ предоставил казавшуюся еще недавно совершенно невероятной возможность установить химиче¬ский состав далеких небесных тел. Как не вспомнить здесь еще раз вы¬сказывание О. Конта, который говорил о полной невозможности узнать хими¬ческий состав и температуру звезд.

Естественно, что новые открытия не могли не повлиять на представления об облике Солнца. Очень интересно, как «видел» Солнце сам Кирхгоф. Он считал, что это раскаленный шар очень высокой температуры, окруженный более холодной атмосферой, в которой земные элементы присутствуют в газообразном состоя¬нии. Солнечные пятна, по Кирхгофу, облака в этой атмосфере. Кирхгоф совершенно правильно говорил о том, что темный цвет пятен свидетельствует об их более низкой температуре.

Не все ученые разделяли точку зрения Кирхгофа. Некоторые считали, что на месте солнечных пятен происходит истечение нагретого газа, который разрывает облачный покров. Кстати говоря, к этому времени накопился огромный наблюдательный материал о солнечных пятнах. Основной вклад в этот материал был сделан, как мы уже говорили, аптекарем из Дессау Швабе. Сначала цель его наблюдений была совершенно иной: он хотел найти малую планету внутри орбиты Меркурия. И хотя никакой новой планеты открыть ему не удалось, имя его навсегда осталось в истории астрономии, поскольку именно он открыл, что количество пятен на Солнце меняется периодически.

Как это случилось? Сравнивая данные своих наблюдений за многие годы, Швабе обнаружил, что в 1828 и 1829 годах не было ни одного дня, когда Солнце было бы абсолютно чистым. И, наоборот, в 1833 и 1843 годах в течение половины всех дней наблюдений на Солнце вообще не было пятен. За 1828 год Швабе наблюдал 225 пятен, а в 1833 году лишь 33. За 1837 год Швабе насчитал 333 пятна, а за 1843-й — только 34. Швабе сделал заключение о том, что максимумы и минимумы повторялись примерно через 10 лет. Результат был проверен по историческим материалам, и вывод Швабе подтвердился.

Свои результаты он опубликовал в 1851 году, и в этом же году появилось сообщение о том, что вариации магнитного поля Земли также имеют период в 10 лет, то же самое оказалось справедливым и для полярных сияний. Таким образом, связь процессов, происходящих на Солнце и на Земле, была установлена еще в прошлом столетии.

В эти же годы изучение положения пятен па Солнце и вращения самого Солнца позволило открыть очень ин¬тересное явление. Оказалось, что пятно, находящееся у экватора, дви¬гается быстрее, чем пятно, находя¬щееся на широте 45°. Если первое совершало оборот за 25 дней, то вто¬рое только за 27,5 дня. Именно таким образом был установлен и период вращения Солнца, и тот факт, что Солнце вращается дифференциально. К тому же это означало, что пятна ни¬как не могут быть районами твердо¬го тела Солнца.

Пятна на Солнце огромны. Некото¬рые из них превышают размеры зем-ного шара. Они теснятся к экватору, избегая высоких широт Солнца. Пятна нередко располагаются симметрично относительно солнечного экватора. Кроме того, их положение зависит от солнечной активности. Если построить диаграмму зависимости широты пя¬тен от времени, то получаются фигу¬ры, напоминающие бабочек. По име¬ни астронома, изучавшего солнеч¬ные пятна, эти фигуры получили на¬звание бабочек Д. Маундера.

Для изучения Солнца еще в XIX ве¬ке использовали фотографию, с по-мощью которой удалось установить, что пятна — самые дальние от нас об-разования, выше пятен расположены факелы. Видимую поверхность Солн¬ца стали называть фотосферой (сфе¬рой света). До середины XIX века было уста¬новлено, что фотосфера представля¬ет собой отнюдь не сплошную поверх¬ность. Эта видимая поверхность Солн¬ца напоминает кипящую рисовую ка¬шу. Иными словами, она имеет ячеис¬тую, или гранулированную структуру.

Астрономы многократно фотографи-ровали эти структуры и назвали их гранулами. В начале XX века в Пулковской обсерватории установили, что средняя продолжительность жизни отдельных гранул составляет примерно 5 минут. Затем гранула распадается, и на се месте появляется новое образова¬ние такого же типа. До середины XIX века усилия астро¬номов были сосредоточены па наблю¬дениях поверхности Солнца. (Мы, конечно, должны все время помнить при этом, что никакой поверхности в общепринятом смысле этого слова Солнце не имеет.) В 1842 году произошло событие, которое существенно расширило представления человека о Солнце.

Речь идет о полном солнечном затме¬нии, наблюдавшемся па юге Франции и в Северной Италии. За ним после¬довали затмения 1851 и 1860 годов. Астрономы могли наблюдать лучис¬тый венец Солнца — корону и розо¬вые «облака» — протуберанцы. Вообще-то говоря, протуберанцы были известны человеку очень давно, упоминания о них мы находим даже в древнерусских летописях.

В XVIII веке предполагалось, что протуберан¬цы — облака, плавающие в атмосфе¬ре Луны. Но только в 1851 году астро¬номы увидели, что протуберанцы ге-нетически связаны с тонкой розовой оболочкой, окружающей Солнце со всех сторон. Эта оболочка была назва¬на хромосферой (сферой цвета). Естественно, что в наблюдениях сразу же использовали спектроско¬пию, причем широкому использова¬нию этого метода помогло то обстоя¬тельство, что, оказывается, можно было не ждать солнечного затмения, а просто направить щель спектроско¬па на край незатмившегося Солнца.

Это дало возможность наблюдать ли¬нии протуберанцев и изучать их пове¬дение при полном дневном свете. И уже в конце XIX века наблюде¬ния протуберанцев стали таким же обычным делом, как и наблюдения солнечных пятен. Заметим, что в Рос¬сии наблюдения за солнечными пятнами были организованы выдаю¬щимся русским астрономом Ф. Бре¬дихиным. Итак, протуберанцы. Они появля¬лись на всех широтах вплоть до поляр-ных районов Солнца.

Особенно много их было в годы максимума пятен в низких широтах. Уже тогда было из¬вестно два основных типа протуберан-цев; похожие на розовые облака «спо¬койные» протуберанцы, свободно пла-вающие над хромосферой, и «эруп¬тивные», поднимающиеся как гранди-озные фонтаны огня на колоссальную высоту, где они могли или рассеивать¬ся, или как бы всасываться обратно в пятна. Протуберанцы могут иметь форму волокон. Бывает, что волокно «выду-вается» из Солнца в гигантскую кра¬сивую арку. Протуберанец такой фор¬мы наблюдался астрономами США, и сотрудники обсерватории дали ему ласковое название «Дедушка». Самые разнообразные и причудли¬вые формы — главная отличительная особенность протуберанцев. Один из пионеров в наблюдении протуберанцев, Ж. Жансен, писал: «Я составил карты протуберанцев, которые показывают, с какой скоро¬стью (иногда за несколько минут) эти колоссальные массы газа изменя¬ют свою форму и положение». По¬скольку протуберанцы холоднее коро¬ны, долгое время считалось, что они как бы продолжение хромосферы.

Теперь стало понятным, что некото¬рые протуберанцы действительно по¬добны хромосфере, зато другие обна¬руживают свойства, промежуточные между хромосферой и короной. Во время солнечного затмения 1868 года, наблюдавшегося в Индии, уче-ные изучали спектры протуберан¬цев. В спектрах были отождествлены красная и зеленая линии водорода, а также желтая линия, которую поначалу приняли за линию натрия.

Однако очень скоро выяснилось, что эта линия принадлежит не натрию, а элементу, который тогда еще не был известен на Земле. Этот элемент получил назва¬ние «гелий» — солнечный. Некоторые протуберанцы тесно связаны еще с одним замечательным явлением на Солнце, открытым в 1859 году. Одним из соавторов этого открытия был астроном-любитель Кэррингтон, который, кстати говоря, обнаружил впервые дифференциаль¬ное вращение Солнца.

Так вот, наблю¬дая пятна на Солнце, он вдруг увидел в белом цвете Солнца мгновенное увеличение яркости — вспышку, про¬должавшуюся около пяти минут. Сам Кэррингтон полагал, что вспышка вы¬звана падением большого метеорита на Солнце.

Об этом открытии вспомнили более чем через полвека, когда в ру¬ках астрономов была уже более со¬вершенная техника, с помощью кото¬рой обнаружили внезапные изверже¬ния на Солнце, сопровождавшиеся вспышками излучения водорода. В 1933 году заметили удивительное сов-падение: по мере «затухания» вспыш¬ки на Солнце происходило затухание коротковолновой связи на Земле. Как правило, вспышки можно на¬блюдать в спектральных линиях водо-рода или какого-нибудь другого, но достаточно распространенного эле-мента на Солнце.

Так что Кэррингтону, который наблюдал вспышку в белом цвете, в известной мере повезло, по¬скольку эта вспышка была чрезвычай¬но яркой. Сегодня уже хорошо известно, что солнечные вспышки всегда связаны с пятнами. Именно они порождают сильные геомагнитные бури и полярные сияния на Земле, потоки частиц высоких энергий, а также мягкие кос-мические лучи. Изучение спектральных линий по¬зволило установить ряд замечатель¬ных фактов.

Оказалось, например, что хромосфера имеет более высокую температуру, чем фотосфера, что солнечные пятна окружены факель¬ными полями и что поверхность Солнца неоднородна, покрыта как бы ячеистой сеткой — гранулами. И, наконец, в конце XIX века в райо¬нах, прилегающих к солнечным пят-нам, были найдены замечательные образования, напоминающие спи¬ральные ветви, вихри. Узоры, связы¬вающие два пятна, были очень похожи по рисунку на расположение желез¬ных опилок вокруг полюсов магнита.

Так было открыто существование сильных магнитных полей на Солнце. Особенно интересным оказался тот факт, что спиральные структуры вихрей, окружающих два соседних пятна, имели противоположные магнитные поля. Не менее замечатель¬ным было и то, что последователь-ность полярностей пар пятен в север¬ном полушарии была обратной южно-му. В какой-то мере это напоминало поведение земных циклонов, имею¬щих противоположные направле¬ния вращения к северу и югу от эква¬тора. В 1912 году после очередного мини¬мума солнечных пятен оказалось, что полярность северного и южного полу¬шарий поменялась, а во время оче¬редного минимума в 1922 году снова произошло изменение полярности.

Так, благодаря выдумке, упорству и терпению астрономов был накоплен огромный наблюдательный материал о Солнце. Не надо думать, однако, что все имеющиеся факты сразу полу¬чили правильное объяснение. Фунда¬мент знаний о Солнце и по сей день, имеет трещины.

Достаточно вспом¬нить проблему солнечных нейтрино. Не меньше загадок задают и пятна на Солнце. Тем не менее, сегодня мы в целом достаточно хорошо представ¬ляем себе происходящие на Солнце процессы. 1.2. Вращение солнца. Если сравнить несколько последо¬вательных фотографий Солнца, то можно заметить, как ме¬няется положение всех пятен на диске. Это происходит из-за вращения Солнца. Солнце вращается не как твердое тело. Пятна, находящиеся вблизи экватора Солнца, опере¬жают пятна, расположенные в средних широтах. Следова¬тельно, скорости вращения разных слоев Солнца различны.

Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца — примерно за 30 суток. Линейная скорость враще¬ния на экваторе Солнца составляет 2 км/с. Наблюдения по¬казывают, что все пятна перемещаются от восточного края к западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него. 1.3. Размеры, масса и светимость Солнца.

Радиус Солнца в 109 раз, а объем примерно в 1 300 000 раз больше соот-ветственно радиуса и объема Земли. Велика и масса Солнца. Она примерно в 330 000 раз больше массы Земли и почти в 750 раз больше суммарной массы движущихся вокруг него планет. Энергия, получаемая Землей от Солнца, характеризуется солнечной постоянной. Солнечной постоянной называется величина, определяемая полной энергией, кото¬рая падает в 1 с на площадку 1 м2, расположенную перпен¬дикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы на сред¬нем расстоянии Земли от Солнца.

Для измерения солнечной постоянной на высокогорных станциях определяют количество теплоты, которое получает вода, налитая в специальные сосуды, от зачерненного метал¬лического диска, нагреваемого солнечными лучами. В ре¬зультате тщательных измерений, выполненных с учетом по¬глощения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового из-лучения в земной атмосфере, нашли, что солнечная посто¬янная равна 1400 Вт/м2 (более точное значение несколько меньше). 1.4