Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Загадка солнечных нейтрино

Ученые обычно строят модели, являющиеся упрощенным описанием определенного физического процесса. Инженер часто изучает поведение масштабных моделей, которые представляют собой миниатюрный вариант реального предмета. Для моделирования сложных структур или механизмов инженер применяет вычислительную машину. Астрономы не могут построить масштабные модели: их модели Вселенной, галактик и звезд чисто теоретические и всегда останутся такими из-за громадных размеров изучаемых объектов. Научные модели имеют несколько назначений. Чтобы модель можно было считать хорошей, она должна адекватно объяснять явление, для описания которого создана. Возьмем для примера законы всемирного тяготения. Законы Ньютона достаточно точно объясняют физические процессы повседневной жизни, например падение яблока или колебания маятника. Однако они не дают достаточно удовлетворительного объяснения движению орбиты планеты Меркурий в солнечном гравитационном поле. Для объяснения этого явления необходима более сложная модель — общая теория относительности Эйнштейна. Эта теория может объяснить эффект постоянного вращения орбиты Меркурия, обычно называемый поворотом перигелия Меркурия. Но даже теория Эйнштейна не дает полного объяснения поведению таких гравитационных объектов, как черные дыры.

Неудовлетворительность старой модели часто приводит к созданию более усовершенствованной теории. Так, теория Ньютона последовала за моделью Кеплера, теория Эйнштейна сменила теорию Ньютона; так оно будет продолжаться и дальше. Следовательно, неспособность прежней модели объяснить какое-либо новое явление может направить научный поиск по совершенно новому и плодотворному пути.

Совсем недавно считали, что обширная область астрофизической теории, а именно теория структуры и эволюции Солнца и звезд, полностью построена. Казалось, что математические модели дают совершенно ясное объяснение процессов, происходящих на звездах. Правда, всегда оставался вопрос: можно ли быть уверенным, что модели хорошо отражают действительные физические процессы, если сами эти процессы, происходящие в глубине Солнца, нельзя непосредственно наблюдать?

В случае Солнца важно помнить, что его теперешнее излучение несет информацию об условиях, существовавших в ядерном реакторе Солнца миллионы лет тому назад. Ведь именно тогда родились фотоны, которые сейчас падают на наши тела и на входную апертуру наших телескопов. Однако существует ядерная частица, предсказанная теоретически в 1931 г., которая может рассказать о сегодняшнем состоянии внутренних областей Солнца.

На заре развития ядерной физики Вольфганг Паули, размышляя над процессом радиоактивного распада, пришел к выводу, что для соблюдения законов сохранения — законов, согласно которым определенные физические величины не могут быть ни созданы, ни разрушены в процессе радиоактивного распада,— кроме электронов должна выделиться еще одна частица. Тем самым он постулировал существование новой субатомной частицы, названной впоследствии нейтрино (уменьшительное от «нейтрон»). О ней мы вкратце упоминали в главе 4. Эта частица субатомного мира замечательна тем, что не имеет электрического заряда, масса покоя ее ничтожна или равна нулю, а скорость движения равна скорости света. Нейтрино обладают необыкновенной проникающей способностью, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. Бесчисленные миллионы нейтрино проходят через нас каждую секунду. Даже слой свинца толщиной от Земли до Плутона мало повлияет на величину нейтринного потока. По этой причине только через четверть столетия после предсказания Паули нейтрино были надежно обнаружены в одном из экспериментов.

Солнце выделяет огромное количество нейтрино, так как внутри Солнца при реакциях термоядерного синтеза при образовании одного нового ядра гелия (α-частицы) появляются два нейтрино (гл. 5). Каждую секунду на Солнце образуются 2×10³⁸ нейтрино. Что с ними происходит дальше? Поскольку взаимодействие нейтрино с веществом имеет очень малую вероятность, все они улетают из Солнца. Даже плотное вещество солнечного ядра не может остановить их продвижения. Любопытная ситуация, не правда ли: электромагнитная энергия, генерируемая в центре Солнца, излучается Солнцем только спустя миллионы лет, в то время как нейтрино улетают со скоростью света почти беспрепятственно! На Земле, которая является малой мишенью для таких расстояний, поток нейтрино через площадку в 10 см² (размер большой почтовой марки) составляет 10¹³с^-1. А мы совершенно не замечаем, что нас непрерывно пересекает такой огромный поток безобидных частиц.

Если бы можно было построить прибор, измеряющий поток нейтрино (нейтринный детектор), то мы смогли бы узнать, что происходит в центре Солнца в настоящее время. Ученые могли бы сопоставить предсказания солнечных моделей с реальными измерениями. Такой прибор построил американский физикохимик Раймонд Дэвис.

Дэвис не ставил перед собой задачу изучения Солнца. Он работал над другой проблемой, на первый взгляд совершенно не связанной с астрономией. Ранее было высказано предположение о существовании двух типов нейтрино: нейтрино и антинейтрино, которое является своеобразным антиподом первого. Хотя наш обычный мир полностью состоит из вещества, в микромире есть вещество и антивещество. При столкновениях частицы со своей античастицей обе частицы исчезают, превращаясь в энергию (вспомните уравнение Е = тс²!). Так вот, Дэвис хотел найти способ различить нейтрино и антинейтрино. Идея эксперимента была предложена Бруно Понтекорво, который тогда, в 1947 г., работал в ядерной лаборатории Чалк Ривер в Канаде. Понтекорво предложил использовать в качестве ловушки для нейтрино атомы хлора-37. Дело в том, что если атом хлора-37 сумеет захватить нейтрино определенной энергии, то он превратится в атом аргона-37; при этом происходит также выброс электрона. Антинейтрино же хлором-37 не поглощаются. Следовательно, если хлор-37 превратится частично в аргон-37, это будет означать, что имеет место поток нейтрино. Первые опыты Дэвиса проводились рядом с ядерным реактором, излучающим огромное число нейтрино.

Для проведения эксперимента необходимо измерить количество аргона-37, возникающего в результате распада хлора-37. Аргон-37 превращается обратно в хлор-37 в среднем за время, равное 35 дням, причем этот процесс сопровождается излучением электрона строго фиксированной энергии. Обнаружение электронов с такой энергией и дает возможность определить количество аргона-37. Для успеха всей этой детективной работы нужно, чтобы возникло по крайней мере 10 атомов аргона.

В своем пионерском эксперименте 1955 г. Дэвис использовал 15000 литров четыреххлористого углерода (тетрахлор-метан), потому что эта прозрачная жидкость богата хлором-37. Через несколько дней был обнаружен аргон-37. Таким образом, Дэвис обнаружил нейтрино, испускаемое реакторами, и одновременно установил грубую верхнюю границу потока нейтрино от Солнца.

Усовершенствование основной схемы в результате привело к созданию детектора солнечного нейтрино, в десятки тысяч раз более чувствительного, чем вначале. Солнечный нейтринный телескоп в современном виде представляет собой резервуар, наполненный тетрахлорметаном, объемом 450 кубометров, что близко к объему обычного 25-м плавательного бассейна. И все это предназначено для обнаружения ничтожного количества аргона-37. Детектор должен быть защищен от космических лучей, которые могли бы также различными способами образовать аргон-37. Поэтому детектор расположен под поверхностью Земли на глубине больше 1,5 км на дне старой шахты Южной Дакоты. Такое необычное расположение астрономического телескопа вызвало сенсацию как в кругах профессиональных астрономов, так и среди обычной публики.

Прибор Дэвиса не может обнаружить любые солнечные нейтрино. Только нейтрино, образующиеся при распаде бора-8 (⁸В), имеют энергию, необходимую для превращения хлора-37 в аргон-37. Другие солнечные нейтрино неэффективны. Как отмечалось в главе 5, распад бора имеет место в третьей из трех возможных ветвей протон-протонного цикла. Мы подходим здесь к очень важному месту: именно в этой ветви в противоположность двум другим скорость образования нейтрино очень сильно зависит от температуры (примерно, как Т¹³). Следовательно, измерение потока солнечного нейтрино дает возможность определить температуру самых глубоких слоев Солнца. В свою очередь определение этой температуры обеспечивает важную и независимую проверку теоретических моделей процессов, происходящих на Солнце.

Рис. Общая схема солнечно-нейтринного телескопа.

В течение многих лет Дэвис и теоретики играли в игру, которую можно назвать интеллектуальной чехардой. Всякий раз, как Дэвис улучшал чувствительность своего телескопа, теоретики производили пересмотр ожидаемого потока солнечного нейтрино, все время уменьшая его. Число обнаруженных нейтрино намного меньше предсказанных теоретиками, хотя возможные ошибки измерений не превышают 10%. Общепринятая модель процессов внутри Солнца дает поток нейтрино в 10 больший, чем наблюдаемый. Поэтому теоретики делают попытки несколько видоизменить солнечные модели, чтобы привести их к лучшему согласию с опытами Дэвиса.

Одну из попыток объяснить противоречие между теорией и экспериментом предприняли Эзер и Камерон. Если предположить, что по какой-то причине когда-либо в прошлом вещество внешних слоев Солнца было перемешано с веществом внутреннего ядра, то это приведет к необходимости пересмотра относительного содержания элементов в солнечном ядерном реакторе. Такое перемешивание могло принести в ядро свежие запасы гелия-3, что привело бы к немедленному дополнительному выделению энергии в солнечном реакторе. Это привело бы к расширению ядра и вследствие этого к падению температуры. А при уменьшении температуры поток нейтрино катастрофически уменьшается. Такое перемешивание Солнца, по оценкам теоретиков, могло происходить периодически примерно каждые 100 млн. лет. После каждого такого перемешивания в течение 10 млн. лет температура ядра и поток нейтрино будут меньше нормы.

Гипотеза Эзера-Камерона — это только один из примеров того, как некоторая модификация общепринятой модели может изменить величину потока нейтрино. Похожая идея, например, состоит в предположении о быстром вращении солнечного ядра, приводящем к перемешиванию. Было даже выдвинуто совсем неожиданное предположение, что у Солнца есть небольшая черная дыра в центре, но солнечные физики не принимают эту идею всерьез.

Как бы ни оценивать солнечный нейтринный эксперимент, проблема остается. Дэвис, по-видимому, не обнаружил какие-либо солнечные нейтрино, а все разумные модели солнечного ядра предсказывают поток хотя бы в несколько нейтрино. Более того, общепринятые модели звезд дают поток нейтрино, который легко было бы обнаружить при помощи телескопа. Возникает вопрос: означает ли это, что Солнце не совсем обычная звезда? Или на Солнце происходит очень длительный процесс перемешивания?

Результат нейтринного эксперимента имеет важное значение для нашего понимания вариаций земного климата. Отсутствие нейтрино может означать, что температура в центре Солнца и солнечная светимость в настоящее время меньше нормального уровня. Вполне возможно, что понижение температуры Солнца приводит к возникновению длительных ледниковых периодов, обычно наступающих с интервалом в 200—300 млн. лет. Если такая интерпретация результатов Дэвиса верна, то Земля в настоящее время переживает ледниковый период. И если на Земле сейчас относительно тепло, то это только потому, что мы живем в относительно коротком (длительность которого 200 000 лет) межледниковом интервале.

Эволюция нашего Солнца

Если бы Солнце было единственной звездой на небе, мы вряд ли смогли бы много узнать о его рождении, жизни и будущей смерти. Только наблюдения за многими звездами позволяют астрономам выяснить в общих чертах историю жизни звезд вообще и Солнца в частности. Вот так и в лесу: ни один ботаник не может сидеть и наблюдать, как дерево возникает из семени, как оно превращается в молодое деревце, потом в большое густое дерево и наконец умирает. Это невозможно хотя бы потому, что дерево живет дольше, чем сам ботаник! Однако наблюдения за деревьями различных возрастов и пород дают достаточный материал для выяснения жизненного цикла деревьев.

То же самое и со звездами: астрофизики за последние 50 лет научились различать молодые звезды, многочисленные звезды среднего возраста (к ним принадлежит и Солнце) и звезды в конечной стадии их эволюции. В этой главе мы дадим краткое описание прошлой и будущей истории нашего Солнца.

Начнем с установления возрастов Солнца, нашей Галактики и Вселенной для того, чтобы зафиксировать временную шкалу истории. Возраст Солнечной системы определяется по возрасту самых древних веществ, которые оказываются в нашем распоряжении. На поверхности Земли нет такого первичного вещества. Дрейф континентов, погода, океаны и ледниковые периоды настолько трансформировали поверхностные горные породы, что они уже не содержат какой-либо информации о возрасте планеты. Важнее, однако, то, что Земля оставалась неразделенной на твердую земную кору, мантию и жидкое ядро в течение многих сотен миллионов лет после своего образования. Поэтому информацию о происхождении Солнечной системы нужно искать где-нибудь в другом месте, например в метеоритах и на Луне.

Специалисты по планетам пришли к выводу, что метеориты являются осколками горных пород, сохранившимися со времен ранней истории Солнечной системы. Очевидно, они образовались почти сразу после Солнца. При этом в состав некоторых метеоритов вошло небольшое количество радиоактивных элементов. В течение всей последующей истории эти радиоактивные вещества распадались, некоторые быстро, другие чрезвычайно медленно, в результате количества первичных радиоактивных веществ уменьшилось, но образовались продукты их распада. Метеорит — это космические часы с постепенно раскручивающимся заводом. Выбрав определенный радиоактивный элемент и тщательно измерив отношение количества изотопов, которым предстоит все еще распасться, к количеству продуктов распада, можно определить возраст метеорита. Правда, существуют некоторые осложнения. Например, свинец является продуктом распада урана и тория, но изотопы свинца всегда присутствуют там, где есть эти элементы, поэтому продукты распада урана и тория всегда загрязнены посторонним свинцом. За исключением распада урана и тория, другие процессы радиоактивного распада, а именно превращение калия в аргон, рубидия в стронций и недавно открытый процесс превращения самария в неодим, позволяют получить достаточно надежные сведения о возрасте метеоритов. Согласно недавно возникшей науке космохронологии, все метеориты образовались около 4,57 млрд. лет тому назад в течение интервала, равного 30—100 млн. лет. Это несомненно является сильным аргументом в пользу того, что Солнце и Солнечная система образовались около 4,6 млрд. лет тому назад.

Радиоактивные часы позволили определить возраст лунных пород. Стремление прочесть показания лунных часов было одной из основных причин, по которым образцы лунных пород были доставлены на Землю. Возраст Луны, определенный по этим образцам, оценивается в 4,5—4,6 млрд. лет. Между прочим, наиболее древние образцы горных пород на Земле в Западной Гренландии имеют возраст около 3,6 млрд. лет, а относительное содержание свинца в них соответствует возрасту Земли в 4,45 млрд. лет.

Поэтому можно считать, что Солнечная система образовалась примерно 4,5—4,6 млрд. лет тому назад. С гораздо меньшей точностью оценивается возраст нашей Галактики и Вселенной. В настоящее время полагают, что возраст Галактики составляет 10—12 млрд. лет, а возраст Вселенной — 13 млрд. лет или даже больше. Во всяком случае, можно с уверенностью считать, что Галактика конденсировалась по крайней мере через несколько сот миллионов лет после образования Вселенной, а образование Солнца произошло, когда Галактике уже было по крайней мере 5 млрд. лет.

В последние годы было высказано много предположений относительно процесса образования звезд и, следовательно, Солнца. Местом рождения звезд является газ межзвездного пространства. Образование новой звезды представляется долгим и медленным, если судить человеческими масштабами времени. Почти все звезды, видимые невооруженным глазом, были на небе еще до появления на Земле человека. И все же мы знаем, что новые звезды должны возникать внутри газовых облаков. Известно, что молодые массивные звезды, живущие всего несколько десятков миллионов лет, обычно образуются вблизи облаков водорода, гелия и других элементов. Кроме того, новые звезды наблюдаются в туманности Ориона, одной из ближайшей к нам областей звездообразования. Наконец, химический состав межзвездного газа подобен химическому составу Солнца и звезд: примерно 3/4 водорода на 1/4 гелия с небольшой (~2%) добавкой более тяжелых элементов.

«Образ» жизни газового облака зависит от баланса гравитационных сил и сил давления, возникающих вследствие нагрева и сжатия. Мы встречались уже с одним из вариантов этой вечной космической битвы при обсуждении устойчивости Солнца. Гравитационные силы стремятся сжать воедино все части облака, которые из-за тепловой энергии стремятся рассеяться в космическом пространстве. Около пятидесяти лет назад кембриджский теоретик сэр Джеймс Джинс показал, при каких условиях облако газа может сжаться, образуя компактное небесное тело. Возможность сжатия, а следовательно, рождения звезды зависит от температуры и массы газа: холодные облака сжимаются при меньшей массе, нежели горячие. Тем не менее даже при температуре в 10° выше абсолютного нуля (10 К) масса довольно плотного газопылевого облака должна быть не меньше 10 масс Солнца. Более теплые облака, чтобы сжаться, должны быть еще массивнее. Теория Джинса объясняет также, почему звезды обычно рождаются семействами, называемыми звездными скоплениями. Полная масса звездного вещества типичного молодого скопления равна нескольким тысячам солнечных масс; из этой массы образуются около 200 звезд. Джинс показал, что межзвездному газу легче образовать 200 звезд, чем, скажем, двадцать.

Как видите, не так легко образовать звезды из межзвездного газа. Если бы это было просто, то тогда уже давно (до образования Солнца!) весь газ превратился бы в звезды. Облаку, в котором зародилось наше Солнце, пришлось преодолеть немало препятствий, так как вначале оно было слишком горячим, вращалось слишком быстро, обладало слишком большим магнитным полем, чтобы образовать звезды. При сжатии облако нагревается. Вы, наверно, замечали, что насос, накачивающий камеру, нагревает воздух. Сжимающееся межзвездное облако должно было избавиться от тепла, чтобы сжатие могло продолжаться. Интересно то, что сама Галактика оказала помощь облаку в этом процессе.

Рис. Туманность «Лагуна» (Мессье 8) —это гигантское скопление космического газа и пыли. Темные сгустки вещества на краю туманности типичны для областей, в которых происходит рождение звезд. Гравитационное притяжение объединяет эти сгустки в единое целое. По мере сжатия эти сгустки распадаются на мелкие фрагменты; часть из них, сжимаясь, достигает плотности, достаточной для «поджигания» ядерных реакций в их центральных частях. Таким образом, перед нами семейство молодых звезд, образовавшихся из межзвездной среды. (Обсерватория Китт-Пик, США.)

Наша Галактика имеет два спиральных рукава, и там, где находится Солнце, газ и звезды делают полный оборот примерно за 250 млн. лет. Периодически (скажем, каждые 125 млн. лет) определенное облако проходит через вращающийся рукав Галактики. При столкновении с более плотной частью рукава облако испытывает удар и сильно сжимается. Этот процесс вызывает дальнейшее резкое сжатие. Оптические и радионаблюдения ближайших галактик отчетливо показывают, что образование звезд эффективнее происходит вдоль границ спиральных рукавов, где скапливается вещество. Таким образом, около 5 млрд. лет тому назад облако, из которого затем родилось Солнце, испытало сильный удар при пересечении со спиральным рукавом. При этом пыль внутри облака нагрелась, облако стало излучать энергию в инфракрасной области спектра, унося тем самым часть гравитационной потенциальной энергии. Обычно области образования звезд содержат много пыли и хорошо видны на небе в инфракрасном диапазоне. Избыток энергии облака может также теряться в виде радиоизлучения молекул. По подсчетам радиоастрономов, некоторые молекулы, в частности молекулы воды, могут очень эффективно уносить энергию плотных облаков, излучая в микроволновом диапазоне. По существу, пары воды действуют как мощный мазер. Таким образом, энергия сжимающегося облака уходит в виде излучения в инфракрасной и микроволновой областях электромагнитного спектра.

Я уже сказал выше, что, согласно критерию Джинса, масса облака, из которого появилось Солнце, могла быть равной нескольким тысячам солнечных масс. При конденсации оно разбилось на небольшие облака из-за возникших в отдельных частях облака неустойчивостей. Эти облачка в свою очередь разбиваются на еще более мелкие фрагменты в процессе сжатия всего облака. В конце концов остаются темные протозвезды и прото-Солнце, продолжающиеся сжиматься, однако уже близкие к своей окончательной форме. Весь этот процесс длился для Солнца около 400 000 лет.

Что происходило дальше, не совсем ясно. Прото-Солнце на этой стадии не было достаточно горячим, чтобы начались ядерные реакции. Осталась также проблема вращения, так как из-за сжатия прото-Солнце стало очень быстро вращаться (подобно тому как ребенок, сидящий на вращающемся кресле с вытянутыми руками, начинает вращаться быстрее, когда он сложит руки). Возможно, некоторое замедление вращения произошло в результате перепутывания магнитного поля прото-Солнца с магнитным полем Галактики. Магнитные силовые линии немного напоминают резину: чем сильнее вы ее растягиваете, тем большее сопротивление она оказывает. При вращении прото-Солнца образуется закрученное локальное магнитное поле, и оно в свою очередь начинает тормозить вращение. Более того, совместное действие вращения и магнитного поля должно было помочь процессу образования диска, когда размер облака приближался к размеру Солнца.

Конечная стадия процесса рождения Солнца продолжалась около 100000 лет. Внутри прото-Солнца образовалось ядро, сжимающееся под действием силы гравитации, причем температура и давление в нем все время росли. «Включилась» первая ядерная реакция: ядро лития-7 соединилось с протоном, что привело к образованию двух ядер гелия. Такая реакция происходит при температуре около 1 млн.градусов. Этот процесс вскоре истощился. Литий послужил топливом лишь для разжигания ядерного очага. С возникновением ядерных реакций изолированные фрагменты газа наконец-то превратились в молодое Солнце, однако прошло еще какое-то время, прежде чем все окончательно установилось. В первые несколько миллионов лет число ядерных реакций непрерывно росло. Эта фаза закончилась через 50 млн. лет. По-видимому, во время этой фазы существовал огромной мощности ветер, намного более сильный, чем теперешний солнечный ветер, поскольку он сдул прозрачную оболочку родительского облака.

В то время как формировался ядерный очаг, осколки и обломки вещества, оставшиеся за пределами основного сжимающегося облака, уже близкого по размеру к будущему Солнцу, начали объединяться, образуя метеорные тела и протопланеты. По показаниям метеорных часов мы знаем, что конденсация или затвердение продолжались 30—100 млн. лет. Уплощенный планетарный диск при помощи магнитного поля оказался связанным с Солнцем, и эта связь привела к небольшому замедлению солнечного вращения. Однако основной причиной замедления вращения Солнца (сейчас оно совершает один оборот примерно за месяц) явился унос углового момента или энергии вращения сильным ветром из частиц.

Образование планет, должно быть, длилось несколько сот миллионов лет. На последних стадиях малые обломки и агрегаты сталкивались на огромной скорости с большими. На фотографиях Меркурия и Луны можно видеть древние ландшафты со следами такой страшной космической бомбардировки. Куски горных пород — метеорные тела — блуждают в межпланетном пространстве, если можно назвать блужданием движение со скоростями 30—100 км/с.

Рис. Диаграмма Герцшпрунга — Рассела, по которой можно проследить жизненный цикл звезд. Эту диаграмму можно представить в разных формах; здесь она построена в координатах; температуры звезд — их светимость. В течение большей части своей жизни Солнце будет находиться на главной последовательности, а затем скорее всего станет красным гигантом и закончит свою жизнь белым карликом.

Когда вы видите падающую звезду, вы присутствуете при длящейся всего одну секунду смерти камня, более древнего, чем что-либо на поверхности Земли. Этот камень отправился в путешествие по Солнечной системе 5 млрд. лет тому назад. Иногда куски таких метеорных тел падают на поверхность Земли; такие фрагменты называются метеоритами.

Я уже рассказывал об источнике солнечной энергии, действующем большую часть его жизни. Солнце сейчас на середине своего жизненного пути, поскольку уже использована половина его водородных запасов. Поэтому Солнцу остается жить еще 5 млрд. лет. Если мы сопоставим первую половину жизни Солнца нашему календарному году, то можно сказать, что человечество появилось примерно в 22 часа 31 декабря, цивилизация началась за десять минут до полуночи, а телескоп изобрели в последнюю секунду. Лично я сомневаюсь, чтобы наши потомки очень беспокоились из-за того, что Солнце прекратит свое существование. Только из непомерного тщеславия можно полагать, что человечество является бессмертной вершиной эволюционной цепи. Мы всего лишь достигли большей вершины, чем кто-либо раньше до сих пор, и то с точки зрения земных представлений.

Но во всяком случае, что же будет происходить в последующие 5 млрд. лет? Для ответа на этот вопрос воспользуемся диаграммой Герцшпрунга — Рессела [Г—Р], по горизонтальной оси которой отложена температура звезды, а по вертикальной — ее светимость. Диаграмма Герцшпрунга — Рессела особенно полезна для предсказания тех быстрых изменений, которые произойдут с Солнцем, когда запасы энергии начнут уменьшаться.

В настоящее время Солнце расположено на главной последовательности, то есть в той группе, где находятся все нормальные звезды водородного цикла. Звезды, расположенные левее и выше положения Солнца на диаграмме, имеют большую массу, чем Солнце; те, что ниже,— меньшую массу. Важно понять, что ни Солнце, ни какая-либо другая звезда не движутся вверх или вниз вдоль по последовательности. Они остаются почти на том же самом месте, пока неослабно потребляют водород, немного смещаясь направо и вверх от главной последовательности по мере того, как его заменяет гелий. При этом светимость может возрасти на одну четверть, хотя поверхностная температура немного уменьшается. Короче говоря, Солнце будет становиться немного больше, немного краснее и будет значительно сильнее светить. Эта фаза эволюции, несомненно, чрезвычайно важна для любой жизни на поверхности Земли через несколько миллиардов лет. Причина, по которой Солнце будет греть сильнее, очень интересна. При сжигании водорода и превращении его в гелий расходуются электроны: 2 электрона на одно ядро гелия. Поэтому со временем запас электронов истощится, и энергии из ядра Солнца будет легче выходить наружу, так как именно электроны несут основную ответственность за задержку фотонов. Они являются главной причиной непрозрачности Солнца.

Когда ядерный солнечный реактор в конце концов выгорит, ядро Солнца начнет сжиматься. Физическая причина снова очень проста. Как только приток энергии уменьшается, ядро охлаждается, и чтобы противодействовать этому процессу, оно сжимается, высвобождая взамен тепловой потенциальную энергию своего собственного гравитационного поля. Сжатие ядра приводит к тому, что несгоревший водород извне ядра падает ближе к центру Солнца. Таким образом, появится новый источник энергии: водород, падающий вниз к центру Солнца, сжимается и нагревается до такой степени, что начинается сгорание водорода в тонком слое, окружающем ядро. На протяжении этого процесса образующийся гелий сбрасывается в ядро с внутренней стороны этого слоя, в то время как на внешней стороне продолжается сгорание новых порций водорода.

Воображаемые астрономы других планетных систем наблюдали бы через 5 млрд. лет на Солнце драматические изменения. При сжатии ядра внешние слои сильно расширятся, в результате чего Солнце станет огромным красным шаром с диаметром, в 10 раз большим диаметра сегодняшнего Солнца. Такая звезда — красный гигант на диаграмме Г—Р, поток энергии от нее в тысячи раз больше нормального. Ее излучение принесет на планеты иссушающий зной. Здесь играют роль некоторые тонкие физические эффекты. Коллапсирующее (сжимающееся) ядро сохраняет почти неизменную температуру. Для этого оно должно избавиться от части своей внутренней энергии, которая передается внешним слоям или оболочке, приводя к ее резкому расширению. Парадоксальное золотое правило звездной эволюции состоит в том, что сжатие внутренних слоев приводит к расширению внешних. Другой эффект состоит в том, что более холодное и более красное Солнце будет посылать на планеты больше тепла. Это объясняется увеличением поверхности звезды и, следовательно, ее видимого размера, по крайней мере раз в сто. Такое увеличение с избытком компенсирует уменьшение светимости на единицу площади. Что же произойдет с Землей? Океаны и реки закипят, ледяные шапки растают, атмосфера улетит в космическое пространство. Бесплодная скалистая поверхность нашей планеты будет обдуваться яростным солнечным ветром, дующим снова с огромной скоростью. Каждый год Солнце — красный гигант — будет терять одну миллионную (10^-6 своей массы. Во внешних частях Солнечной системы гигантские планеты Юпитер и Сатурн будут освобождены от глубокого льда, покрывавшего их поверхности в течение 10 млрд. лет. Ледяной покров, состоящий из метана, аммония и водорода, толщиной в десятки тысяч км испарится. Возможно, обнажатся их скальные ядра. А во внутренней части Солнечной системы Меркурий будет вращаться почти внутри Солнца.

Будут иметь место и другие эффекты: Солнце будет видно так далеко в Галактике, как никогда раньше. На астрономическом языке это означает, что его видимая звездная величина увеличится на 6^m. Подобно тому как в настоящее время красный гигант Бетельгейзе (α Ориона) является одной из самых ярких звезд нашего неба, так Солнце будет господствовать на чужом небе неизвестных планет далеко в космическом пространстве на расстояниях в тысячи световых лет.

В масштабах астрономического времени это расширение можно назвать непродолжительным. Подобно большинству внезапно развивающихся природных явлений, рассмотренный процесс зайдет слишком далеко. Высокая светимость приведет к невосполняемому расходу теперь уже ограниченного резерва топлива. В оболочке водород будет сгорать все быстрее, сброс продукта горения — ядер гелия — в солнечное ядро будет продолжаться, и когда в центре Солнца накопится достаточное количество гелиевой золы, ее температура начнет расти. Когда температура достигнет 100 млн. градусов, начнется процесс слияния трех ядер гелия (α-частиц), в результате которого образуются ядра атомов углерода. Ядерная топка выйдет из-под контроля, так как температура будет продолжать расти по мере ускорения ядерных реакций, а рост температуры только ускорит темпы сгорания гелия. Условия будут совсем отличными от условий в звездах главной последовательности, когда дополнительный нагрев, приводящий к увеличению давления, компенсируется небольшим расширением — важным стабилизирующим фактором. Нет, конечная стадия солнечной эволюции совсем не мирная, так как давление в ядре будет нечувствительно к температуре. Стадия, на которой возникает гелиевая вспышка, приводящая к образованию углерода (и азота) в ядре, является вершиной эволюции красного гиганта. Конечная вспышка отодвинет, по всей вероятности, внешнюю границу Солнца до положения теперешней орбиты Земли.

Вопреки общераспространенному мнению наше Солнце не станет ни новой, ни сверхновой звездой. Так, вспышка гелия не вызовет внезапного уярчения или нечто похожего на взрыв звезды. Ведь ядро, в котором все это происходит, экранировано протяженной оболочкой.

Дальнейшее поведение Солнца не может быть предсказано с большой определенностью. В конце своего существования как красного гиганта оно может стать неустойчивым. Если на границе ядра создается тонкий слой, где сгорает гелий, могут происходить частые вспышки. Солнце будет в этом случае сокращаться в размерах и становиться горячее, пока давление излучения умирающего ядра не станет достаточно сильным, чтобы рассеять атмосферную оболочку в космическое пространство со скоростью в несколько десятков километров в секунду. Мы не знаем, потеряет ли Солнце свою оболочку сразу целиком или в результате ряда выбросов. Но что известно вполне определенно, это то, что звезды с массой, близкой массе Солнца, образуют планетарную туманность, в которой кольцо светящегося водорода и гелия окружает крошечную очень горячую звезду с температурой поверхности около 100 000 градусов. Эта центральная звезда фактически представляет собой звездное ядро, горячую, но уже мертвую ядерную станцию звезды.

Конечная судьба солнц удивительно проста. Оболочка туманности постепенно расплывается в межзвездном пространстве, где в конечном итоге объединяется с газовыми туманностями, в которых в далеком будущем могут возникнуть новые поколения звезд и планет. Тем временем горячее ядро, излучая в пространство, постепенно охлаждается. Все это время на диаграмме Г—Р оно передвигается вниз, оказываясь слева от главной последовательности. Оно превратится в белого карлика. Значительная часть массы Солнца будет утрамбована в шар размером в Землю. Белый карлик не сжимается, несмотря на то что его внутреннее гравитационное поле очень сильно. Электроны, эти маленькие заряженные частицы, образующие внешние облака вокруг атомов, сжаты так сильно, что их давление может противостоять гравитации. Это электронное давление возникает не из-за отталкивания электронов, как вы можете предположить. Это особая сила, похожей на которую нет в нашем обычном мире. Эта сила имеет квантовую природу и проявляется только в микромире элементарных частиц. Она возникает вследствие того, что все электроны внутри звезды должны обладать различными по величине энергиями.

При дальнейшем остывании белый карлик медленно гаснет. В конце концов он остынет настолько, что не будет ничего излучать в видимом свете. Он превратится в черного карлика, почти необнаружимую груду ядерных отходов, состоящих в основном из гелия, углерода, азота и кислорода. Все вещество, в нем содержащееся, на этой стадии достигло конца космической дороги, если иметь в виду предсказуемое будущее Вселенной. Через шесть миллиардов лет Солнце и Земля безусловно будут мертвы.

Исследование эволюции звезд, более горячих чем Солнце, окружным путем приводит нас снова, как мы увидим, к проблеме зарождения Солнечной системы. Не место в книге о Солнце вдаваться во второстепенные детали эволюции звезд, поэтому мы подчеркнем только основные моменты. У звезд с большей массой и, следовательно, более горячих, чем Солнце, процесс превращения водорода в гелий идет другим путем, через углеродно-азотный цикл. Эта реакция состоит из шести стадий, и в ней ядра углерода и азота используются лишь как вспомогательные звенья для образования гелия из самых легких элементов. Сами углерод и азот не расходуются. Внутри Солнца температура недостаточно высока, чтобы углеродно-азотный цикл мог эффективно осуществляться, но он работает внутри более горячих звезд, центральная температура которых превышает 16 млн. градусов. Вклад этого цикла в энергию, выделяющуюся внутри Солнца, составляет всего около 2%.

Одной из наиболее важных характеристик звезд с большей, чем у Солнца, массой является меньшая продолжительность жизни. Это может показаться немного странным: ведь у более крупных звезд больше топлива и поэтому они должны вроде бы жить дольше. Верно, у них больше топливных запасов, но они расходуют их гораздо быстрее. Так, звезда с массой в 5 раз большей солнечной имеет в 5 раз больше водорода для ядерного реактора. Однако большая масса приводит к большему сжатию и, следовательно, к более высоким значениям температуры и давления в центре звезды. В результате скорость ядерных реакций увеличивается примерно в тысячу раз. В итоге смерть звезд наступает в двести раз быстрее, примерно через 50 млн. лет. Теперь задумайтесь над следующим вопросом. Человек появился только через 5 млрд. лет после образования прото-Солнца. Могла ли разумная жизнь развиться на планетах, вращающихся вокруг звезд большой массы? Вряд ли, ведь время жизни этих звезд слишком мало.

И все же самое удивительное, что именно эти расточительные звезды сделали возможным зарождение жизни. Когда звезда типа Солнца умирает, она сбрасывает газовую оболочку в космическое пространство и сжимается в шар, содержащий легкие элементы: гелий, углерод, азот. Но когда умирает массивная звезда, она делает это гораздо эффектнее. Объект в 10 раз массивнее Солнца просто не может погаснуть тихо. При истощении запасов топлива, ядро такой звезды очень быстро сжимается, возможно в течение секунды, превращаясь или в небольшой нейтронный шар диаметром 10 км, или, может быть, даже в черную дыру. В результате такого направленного внутрь взрыва, или имплозии, возникает ударная волна, пересекающая внешнюю оболочку в то время, когда она начинает обрушиваться на ядро. Ударная волна сжимает газ, и в течение следующей секунды его температура возрастает до значения, достаточного для ядерного взрыва. Решающий момент во всем этом процессе — внезапная смерть ядра в результате эффекта гравитации, которому уже не может противостоять давление. Это лишает оболочку звезды возможности спокойно перестроиться. Умирающей массивной звезде ничего не остается, как превратиться в сверхновую звезду.

Взрыв звезды большой массы создает благоприятные условия для образования тяжелых элементов. В горячей богатой гелием оболочке звезды образуются изотопы таких элементов, как неон, магний, кремний, сера и других, еще более тяжелых, вплоть до железа (такие процессы происходят также и в центре массивных звезд). Элементы тяжелее железа образуются путем захвата ядер гелия и, что еще важнее, свободных нейтронов.

Взрыв сверхновой выбрасывает газ в космическое пространство. Этот газ обогащен тяжелыми элементами, образованными либо в ядерном очаге, либо во взрывающейся оболочке. Это вещество уносится в пространство со скоростями, превышающими 10 млн. км/час. За миллионы лет скорость их уменьшается, и они незаметно сливаются с веществом газовой туманности межзвездного пространства. Теперь сцена готова для нового действия — для образования нового поколения звезд, обогащенного «золой» своих предков. Таким образом, все вещество Земли и наших тел создано в конечном счете из водорода и гелия во время ядерных взрывов, имевших место задолго до рождения Солнца. Ведь первое поколение звезд, образовавшихся на ранней стадии эволюции нашей Галактики, не могло бы иметь планет. Планеты могут возникать лишь у звезд, которые, подобно Солнцу, содержат некоторую долю вещества, уже участвовавшего в одном из циклов.

Наша дневная звезда служит астрономам-теоретикам легко доступным испытательным стендом для проверки их моделей. Действительно, в самой основе моделей звездных структур лежат солнечные модели. Поэтому вполне понятно, что, когда подвергают сомнению правильность моделей Солнца, это очень сильно волнует теоретиков.

Именно такая ситуация в конечном счете привела к открытию дрожаний или колебаний Солнца. Открытие таких дрожаний аризонским исследователем Генри Хиллом является одной из самых интересных (в том числе по своему неправдоподобию) страниц истории астрономии.

Все началось совсем в стороне от исследований Солнца, с новой теории Вселенной Бранса и Дикке, которая была предложена ими в противовес общей теории относительности Эйнштейна. Это так называемая скалярно-тензорная теория гравитации. При анализе этой теории стало ясно, что Солнце может помочь в решении вопроса, действительно ли теория Эйнштейна неверна. Как уже упоминалось, планета Меркурий может служить хорошим «зондом» для изучения гравитационного поля Солнца. Эллиптическая орбита этой планеты непрерывно поворачивается в пространстве, то есть орбита представляет собой вращающийся эллипс, положение которого после того, как планета совершила полный оборот, будет несколько отличаться от прежнего. Это движение, называемое поворотом перигелия Меркурия, имеет дополнительную составляющую, с большой точностью объясняемую общей теорией относительности Эйнштейна. Объяснение всех трудностей, связанных с поведением ближайшей к Солнцу планеты, было как раз одним из триумфов общей теории относительности.

Новая теория взаимодействия вещества и гравитации Бранса — Дикке не смогла объяснить смещения, соответствующего 7% дополнительной составляющей движения орбиты Меркурия.

Дикке нашел следующий выход из создавшегося положения. Он предположил, что Солнце слегка сплюснуто, как апельсин; в этом случае Меркурий не будет двигаться в совершенно симметричном солнечном гравитационном поле. Для сохранения теории необходимо весьма незначительное искажение формы Солнца; достаточно, чтобы его экваториальный и полярный радиусы отличались всего на 30 км. Таким образом, необходимо было снова обратиться к исследованию Солнца.

Однако измерения таких малых (~0,05%) искажений формы Солнца очень трудны. Теоретикам также надо была понять, из-за чего Солнце может оказаться сплюснутым. Была предложена гипотеза, что сплюснутость объясняется быстрым вращением ядра. Это бы означало, что ядро вращается быстрее внешних слоев Солнца. Такая идея казалась привлекательной и по другой причине: быстрое вращение понизила бы температуру в центре Солнца и тем самым уменьшило бы поток нейтрино. Таким образом, теория Эйнштейна оказалась под ударом, поскольку новая теория могла походя решить проблему нейтрино. Только измерения могли решить этот вопрос.

Поверхность Солнца — не гладкая. Бури, вспышки и солнечные пятна искажают ее. Более того, эти явления влияют на яркость и вносят тем самым ошибку в измерения формы диска. Генри Хилл в Аризонском университете построил телескоп, специально предназначенный для обнаружения искажения формы солнечного края. Однако никаких искажений не было обнаружено. Это означало, что Эйнштейн был прав; центральные части Солнца не испытывают быстрого вращения, а проблема нейтрино остается все еще нерешенной. Но путем многочисленных измерений Хилл и его коллеги открыли новое явление: периодические колебания Солнца. На солнечном лимбе он обнаружил явление, подобное колокольному звону. Но этот звон имеет очень низкий тон, основной период колебаний равен 52 мин: кроме того, «слышны» еще несколько гармоник.

Открытие колебаний Солнца, сделанное совершенно случайно в результате проверки неверной теории, имеет важные последствия для теоретиков-создателей солнечных моделей. Подобно тому как сейсмические колебания Земли, вызванные землетрясениями, дают информацию о внутренней структуре Земли, нормальные моды колебания Солнца сильно зависят от распределения температуры и плотности внутри Солнца. Кембриджские исследователи использовали удивительные результаты Хилла для критического анализа моделей структуры Солнца. Классические солнечные модели выдержали это испытание с честью, но в результате нейтринная проблема так и остается нерешенной.

Другие группы исследователей сообщили об обнаружении солнечных колебаний с еще более длинными периодами, равными почти трем часам. Поскольку эти измерения не были подтверждены независимыми экспериментами, они пока не могут считаться надежно установленными. Но если трехчасовые колебания Солнца окажутся действительно реальными, это снова вызовет смятение в умах теоретиков.

По нашему мнению, современные представления о центральных областях Солнца хорошо обоснованы, причем теория и наблюдения неплохо подтверждают друг друга. Это также означает, что модели эволюции звезд главной последовательности подобных Солнцу, по всей вероятности, близки к истине. Конечно, изучение самих звезд помогает подтвердить результаты солнечных исследований. Особенно важным представляется изучение поведения звездных скоплений. Когда в космическом газовом облаке рождается звездное скопление, его члены сильно различаются по массе. Поскольку звезды с большей массой эволюционируют быстрее, в каждый определенный момент скопление представляет собой картину звездной эволюции: тяжелые звезды почти при смерти, а небольшие только-только начали использовать свои топливные запасы. Поэтому диапазон свойств звезд внутри скопления характеризует различные фазы развития нормальной звезды. Изучение скопления является наиболее важной основой для проверки звездных моделей. Анализ звездных скоплений подтвердил нашу веру в надежность солнечных моделей.

В этом кратком обзоре мы подошли к пределу наших знаний о структуре внутренних областей Солнца. Помогут ли новые результаты решить проблему нейтрино? Будем надеяться на это. В оставшейся части этой книги наше внимание будет обращено на то, что можно назвать наружностью Солнца, на те слои, которые непосредственно поддаются наблюдениям.

Поверхность и атмосфера

Видимая поверхность Солнца, фотосфера, находится в состоянии непрерывной активности. Турбулентные движения конвективных ячеек под поверхностью приводят к образованию тонкой структуры солнечной грануляции, описанной в гл. 4. Температура поверхности может быть определена несколькими способами. Например, если для спектрального распределения белого света фотосферы найти с возможно большей точностью соответствующую кривую излучения черного тела, то мы определим чернотельную температуру фотосферы. Она оказывается равной 6000 К. Другой способ заключается в нахождении температуры Солнца исходя из величины излучаемой им энергии. Эта температура оценивается в 5800 К.

Не существует какой-то одной «правильной» солнечной температуры, так как Солнце — сложный объект, в котором температура меняется с высотой над поверхностью. Мы получаем энергию от слоя толщиной около 500 км, температура в котором меняется с глубиной. Излучение центра диска приходит в основном от слоев с температурой газа, равной 6500 К, в то время как за излучение края ответственны более холодные слои. Любой метод определения температуры является компромиссным, но это не так важно, если точно определены его условия.

Резкий край Солнца, о котором мы говорили в гл. 4, возникает следующим образом. Вблизи фотосферы большая часть поглощения видимого света создается особым типом атома водорода. Обычный атом водорода имеет один протон и один обращающийся вокруг него электрон, он устойчив и электрически нейтрален. Иногда атом водорода на время может захватить добавочный электрон, превращаясь в атом водорода с двумя электронами и отрицательным электрическим зарядом. Такая частица называется отрицательным ионом водорода. Это состояние может сохраняться лишь в определенном интервале температур. На Солнце переход от одного состояния к другому происходит быстро, и в результате, когда излучение просачивается вверх, оно внезапно встречает область, в которой поглощающие его ранее ионы водорода практически отсутствуют. Поэтому излучение почти беспрепятственно выходит наружу. Именно внезапность изменений, как уже отмечалось ранее, и приводит к появлению резкого солнечного края.

Желто-белый свет фотосферы обладает плавно меняющимся спектром, в котором отсутствуют линии. Но прежде чем покинуть Солнце окончательно, свет должен пересечь более холодные слои его атмосферы. Внутри этой более холодной зоны свет испытывает поглощение, благодаря которому мы получаем очень ценную информацию относительно атмосферных условий. В старых книгах этот слой иногда называется обращающим.

Хорошо известно, что радуга возникает в результате взаимодействия солнечного света с дождевыми капельками. Научный анализ солнечных радуг начался с Исаака Ньютона, который в 1665 г. разложил свет в цветной спектр при помощи призмы, поставленной на пути узкого светового пучка. Он производил оптический опыт, не ставя перед собой каких-либо астрономических задач. Ньютон обнаружил наличие цветного спектра и тем самым положил начало солнечной спектроскопии. Впервые темные линии в солнечном спектре зарегистрировал в 1802 г. Волластон. Это подтолкнуло других астрономов на спектральные исследования; самым выдающимся был Фраунгофер.

Фраунгофер в процессе детального исследования ввел для основных темных линий в интервале от красной до сине-фиолетовой части спектра буквенные обозначения, тем самым впервые введя некоторую систему в изучение спектра. До сих пор для некоторых линий используются его буквенные обозначения (например, D-линия натрия). Линии поглощения оказались очень полезными для физиков, когда Кирхгоф и Бунзен (тот самый, кто изобрел бунзеновскую горелку) стали сопоставлять структуру линий поглощения с яркими эмиссионными линейчатыми спектрами атомов горячих газов, полученными в лаборатории. Тем самым они начали систематическое изучение атомной физики. Они первыми приступили к выяснению состава внешних слоев солнечной атмосферы.

Темные линии возникают из-за поглощения атомами света. Когда «чистый» свет фотосферы встречается с холодными атомами, последние поглощают излучение на вполне определенных длинах волн, в точности соответствующих тем энергиям, которые необходимы для перевода электрона атома из одного энергетического состояния в другое. Когда электрон возвращается обратно, он снова излучает такую же энергию, но уже в совершенно случайном направлении. Поэтому вдоль определенного направления на длинах волн, соответствующих данным атомным переходам, яркость излучения уменьшится. Каждый элемент имеет свою характерную совокупность линий поглощения, поскольку уровни энергии электронов у каждого элемента разные. Поэтому атомный спектр каждого элемента уникален, и это дает возможность определить, присутствует ли данный элемент во внешних слоях звезды.

На Солнце большая часть поглощения в спектре создается в слое толщиной 500 км. Этот слой неоднороден. Хотя в его самых нижних слоях уже имеет место небольшое поглощение, но в то же время еще продолжается процесс фотосферной эмиссии. Постепенно положение меняется, поскольку с ростом высоты температура уменьшается. Вблизи верхней границы слоя имеет место только поглощение.

Спектроскопические исследования позволили астрономам выяснить состав, структуру и поле скоростей атмосферы Солнца. Состав атмосферы был определен путем сопоставления совокупности линий в солнечном спектре с лабораторными спектрами. Около шестидесяти из девяноста двух встречающихся в природе элементов определенно обнаружены в атмосфере Солнца. На основании химического анализа метеоритов можно предположить, что в ней присутствуют еще двадцать элементов. Однако их присутствие не приводит к появлению обнаружимых линий либо потому, что содержание этих элементов весьма незначительно, либо их атомная структура такова, что при солнечной температуре не возникают подходящие переходы. Среди отсутствующих элементов периодической таблицы имеется группа связанных между собой элементов, известных как актиниды. Эти чрезвычайно радиоактивные элементы (полоний, астатин, радон, франсий, актиний и протоактиний) возникают при радиоактивном распаде более долгоживущих элементов урана и тория. Поэтому их отсутствие не удивительно. Некоторые элементы обнаружены не в атомной, а в молекулярной форме. Так, присутствие элемента фтора определяется из молекулярных переходов фтористого магния и фтористого стронция.

Одним из самых удивительных результатов ранней солнечной спектроскопии было открытие совершенно нового элемента— гелия, самого легкого газа после водорода. Гелий был обнаружен английским ученым Норманом Локьером во время затмения 1868 г. и только спустя четверть века смог быть исследован в лабораторных условиях. Определение истинного количества гелия в солнечной атмосфере — задача чрезвычайно трудная, так как линии гелия очень слабы. Гелий возбуждается лишь при температурах намного более высоких, чем на Солнце. Но определенно можно сказать, что гелий — наиболее распространенный элемент на Солнце после водорода. Считается, что общая масса гелия составляет от 15 до 35% массы атмосферы, причем разумное компромиссное значение равно 25%. Обычно при расчетах принимают, что водород и гелий составляют примерно 3/4 и 1/4 общей массы атмосферы соответственно. Все другие элементы, вместе взятые, составляют только 1,3—1,8% массы атмосферы, и все же именно они ответственны за появление свыше 20 000 фраунгоферовых линий (это не означает, что все они были открыты Фраунгофером, заслуга эта главным образом принадлежит Роулэнду). Железо, существующее на Солнце в виде нескольких различных атомных структур, образует несколько тысяч линий. Даже те элементы, относительное содержание (т.е. содержание относительно водорода) которых равно или меньше 10^-9, вполне могут быть выявлены спектральным анализом.

Определение относительного состава различных элементов в атмосферах звезд по фраунгоферовым линиям поглощения требует чрезвычайной точности. Для этого надо, чтобы спектральный материал был самого высокого качества, причем очень важно, чтобы спектр на пластинке был достаточно растянут (то есть получен с большой дисперсией); в этом случае последующие измерения можно проводить с большей точностью. Затем спектральная информация переводится в графическую форму или форму, удобную для вычислительной машины. Такой перевод осуществляется путем измерения меняющейся интенсивности узкого пучка света лазера, падающего на передвигаемую с постоянной скоростью поперек луча фотопластинку. Для каждого элемента строятся профили линий, то есть кривые зависимости интенсивности от длины волны в окрестностях данной линии. Солнечные линии водорода имеют глубокий и широкий профиль, в то время как многочисленные линии железа — узкие и мелкие. Получить из таких профилей количественную информацию — целое искусство.

Легкость образования спектральной линии для разных элементов различна. Профиль линии, который можно рассматривать как основной источник информации о содержании элемента, является функцией относительного содержания, температуры, давления и атомных параметров. Влияние электронных энергетических уровней можно рассчитать или определить путем лабораторных наблюдений. По существу, здесь учитывается тот очевидный факт, что в атомах некоторых элементов (например, натрия, кальция и железа) внешние электроны организованы так, что поглощение происходит с большой вероятностью, тогда как другие атомы (классический пример — гелий) поглощают плохо. После того как влияние атомной структуры учтено, можно обратиться к нахождению температуры и относительного содержания. Температуру можно определить без особого труда. Ведь, в конце концов, она одинакова для всех элементов. Тогда из основных неизвестных параметров останется только относительное содержание.

Солнечные и звездные спектроскописты все еще вынуждены проделывать различные манипуляции с огромным числом переменных. Большая часть информации для звезд получена путем детального анализа профилей линий. Для Солнца вместо такой сложной процедуры используется модель атмосферы. По существу, построение модели представляет собой моделирование солнечной атмосферы при помощи вычислительной машины, которая решает уравнения переноса излучения во внешнем более холодном слое солнечной атмосферы. Для различных физических условий могут быть построены обобщенные профили линий. Относительное содержание элементов определяется путем сопоставления расчетных и наблюдаемых профилей. Модель стандартной солнечной атмосферы сейчас широко используется при расчетах на электронно-вычислительных машинах, но в звездной астрономии эта методика пока не очень развита.

Общий химический состав атмосферы нашего Солнца подобен составу большинства других звезд, образованных в последние несколько миллиардов лет. По сравнению с очень старыми звездами они содержат в несколько десятков раз больше элементов тяжелее водорода и гелия. Это согласуется с общим представлением о редкой встречаемости тяжелых элементов в ранний период эволюции Вселенной. Впервые большое количество тяжелых элементов появилось в результате ядерных реакций во время взрывов звезд и, может быть, галактик. В период образования Солнца межзвездная среда уже была обогащена тяжелыми элементами, образовавшимися при взрывах первых поколений звезд.

За небольшими исключениями, состав тяжелых элементов в атмосфере Солнца такой же, как у газового облака, из которого оно образовалось. Солнце само не производит тяжелые элементы для обогащения своей атмосферы. (Я не рассматриваю здесь вопрос о возможности загрязнения атмосферы Солнца гелием солнечного ядра в результате процесса перемешивания. Во всяком случае, Солнце не вырабатывает элементов тяжелее гелия.) Земля и другие планеты конденсировались из того же вещества, что и Солнце, поэтому солнечная спектроскопия информирует нас также о химическом составе вещества, из которого образовалась Земля.

Солнечная атмосфера содержит небольшие количества лития и бериллия, двух самых легких (после водорода и гелия) элементов. Этот факт требует объяснения, поскольку указанные элементы уничтожаются при ядерных реакциях. Уже при температурах в 1 млн. градусов ядра этих элементов захватывают сталкивающиеся с ними протоны и затем делятся на ядра гелия. Литий и бериллий должны были сгореть на первых стадиях существования прото-Солнца. Конечно, можно предположить, что атмосферные слои никогда не перемешивались достаточно эффективно с несколько более глубокими слоями, температура которых превышает 1 млн. градусов. Однако такое предположение трудно согласуется с турбулентностью внешних слоев. Наблюдения при помощи орбитальной солнечной обсерватории (OSO-7) в конце 1972 г. указали на возможность другого, более любопытного объяснения.

Гамма-детектор, установленный на этом спутнике, зарегистрировал в гамма-спектре две сильные линии. Одна из этих линий может быть обязана процессу аннигиляций электрона и позитрона, при котором образуются два фотона с одинаковой энергией. Другая линия, соответствующая большей энергии излучения, может быть связана с процессом синтеза протона и нейтрона, при котором образуется дейтрон. Обнаружение этих линий показало, что в солнечных областях большой активности имеют место ядерные реакции (другими словами, уничтожение электронов и синтез протон-нейтронных пар). Поэтому наличие лития и бериллия на Солнце может вполне объясняться ядерными реакциями в атмосфере. Эти элементы могут образоваться в возмущенных и вспышечных областях, где протоны ускоряются до высоких энергий. В некоторых редко встречающихся звездах (но не на Солнце) спектроскописты обнаружили линии, которые выдают присутствие технеция, радиоактивного вещества с периодом полураспада около 200 тыс. лет. Он также, должно быть, образован в результате ядерных реакций в атмосферах звезд.

Фраунгоферовы линии несут еще и другую информацию помимо сведений о присутствии и относительном содержании химических элементов. Точное положение линии в спектре (точная длина волны) и ширина профиля зависят от магнитного поля, газового давления и скорости вдоль луча зрения наблюдателя. Влияние скорости приводит к хорошо известному эффекту Доплера: если источник поглощения движется по направлению к нам, линия сдвигается в сторону более коротких длин волн, то есть в синюю сторону; и наоборот, при движении источника от нас линия перемещается к более длинным волнам, то есть в красную сторону. Величина смещения пропорциональна скорости (для скоростей, намного меньших скорости света).

Измерения доплеровского смещения могут быть использованы для нахождения скорости вращения Солнца. Солнце не вращается жестко, как Земля. Полностью состоящее из газа, оно на экваторе вращается быстрее, чем на полюсе. Измерения доплеровского смещения показывают, что Солнце совершает полный оборот на полюсах примерно за 37 дней. Чем ближе к экватору, тем газ движется быстрее, и полный оборот на экваторе совершается примерно за 26 дней. Я привел значения периодов вращения относительно удаленных звезд. Мы на Земле измеряем другие скорости вращения, так как наша планета вращается вокруг Солнца в том же направлении, что и само Солнце. Поэтому измеряемые нами периоды вращения Солнца относительно Земли меняются от 40 дней на полюсе до 27 дней на экваторе. Если сравнить эти значения с приводимыми в других источниках, то они могут показаться несколько завышенными. Большинство авторов приводят значения периодов вращения, основанные на измерениях движений солнечных пятен. Как мы увидим выше, в пятнах огромную роль играет магнитное поле, поэтому они не могут служить надежным индикатором «реального» периода вращения. Если Солнце действительно имеет быстро вращающееся ядро, то магнитное поле и солнечные пятна будут двигаться быстрее.

В результате спектроскопического изучения скоростей в 1960 г. было сделано еще одно важное открытие. Было обнаружено, что солнечная атмосфера «дышит» с хорошо выраженным средним периодом, равным 5 мин. Скорости, связанные с этим колебанием атмосферы, составляют около 0,5 км/с (больше 1500 км/час). Сразу же под конвективной зоной газ периодически поднимается и опускается, проходя за каждый период вертикальное расстояние, примерно равное 50 км. Что за погода была бы на Земле, если бы ее атмосфера совершала также прыжки каждые 5 минут! Слой атмосферы над конвективной зоной обладает собственной резонансной частотой для звуковых волн, подобно органной трубе. Было высказано предположение, что волны давления, или звуковые волны, образуются в конвективной зоне на определенных частотах, совпадающих с резонансными частотами слоев, лежащих сразу же под фотосферой. Таким образом, волны раскачивают фотосферу, заставляя ее то подниматься, то опускаться.

Я уже рассказывал о колебаниях, обнаруженных Генри Хиллом. Эти колебания проникают к самому центру Солнца. С другой стороны, пятиминутные колебания являются резонансными для внешних слоев. Сопоставление этих двух типов колебаний дает астрономам еще один способ заглянуть внутрь Солнца.

Исследование фотосферы и других слоев атмосферы Солнца может проводиться чрезвычайно эффективно при помощи узкополосных фильтров. Эти фильтры пропускают без заметного поглощения излучение в очень узком интервале длин волн, центрированном на определенной спектральной линии. Тем самым они выделяют излучение, посылаемое каким-нибудь одним элементом. Для выделения узкой спектральной полосы в этих фильтрах используется эффект интерференции. Фильтр такого типа представляет собой диагностический инструмент большой важности. Поскольку температура в атмосфере меняется с высотой, то на разных уровнях основными источниками линий поглощения (и иногда линий излучения) будут различные элементы. Поэтому можно изучать излучение определенных слоев. Таким образом, можно сбрасывать «маски» с Солнца.

Посмотрим, как можно, например, выделить хромосферу. Розовый свет этого слоя, хорошо видимый невооруженным глазом только во время затмений, создается главным образом излучением первой спектральной линии бальмеровской серии водорода. Эта линия имеет длину волны λ 656,3 нм. Фильтр, прозрачный только в интервале 656,25—656,35 им, выделит эту линию. В фотосфере она одна из самых темных, с чрезвычайно сильным поглощением, поэтому фотосфера через фильтр совсем не видна. Пройдет только свет, излучаемый водородом в хромосфере. Таким путем мы можем получить фотоснимки этого слоя, несмотря на то что простым глазом он виден только во время затмения. Кроме водородной линии часто для исследований структуры и активности хромосферы используют линию ионизованного кальция λ 393,4 нм.

Структура яркости хромосферы, видимая через фильтры, называется хромосферной сеткой. Она соответствует очертаниям глубоко расположенных конвективных ячеек, называемых также супергрануляционными. Сетка совпадает с областями усиленного магнитного поля. Подобно очертаниям земных облаков, сетка непрерывно меняется, характерное время ее жизни около одного дня.

Рис. На снимке в крыле Hα-линии водорода (636,30 + 0.08 нм) хорошо видны спикулы по краям ячеек супергрануляции. Маленькие яркие пятнышки — Основания спикульных «розеток» в фотосфере. На переднем плане в центре — небольшая активная область. Темные точки соответствуют поглощению в вершинах петель. (Обсерватория Сакраменто-Пик, США.)

Если же мы будем рассматривать солнечный диск в красном свете линии водорода или в синей линии ионизованного кальция, то при замене фильтров мы можем увидеть также и фотосферную сетку. Она совпадает с крупномасштабной структурой хромосферы. На фотоснимках, полученных через фильтры с высоким пространственным разрешением, видна очень разнообразная и все время изменяющаяся структура — видны поры, волосики и бородавки солнечной кожи. Множество тонких темных линий, похожих на листочки травы, образуют на поверхности завитки и кружки. На солнечном диске они выглядят темными, а на краю Солнца на фоне темного неба — светлыми. Солнечники пользуются разными названиями для описания явлений солнечной дерматологии. Темные линии называются фибриллами или волоконцами, а их яркие двойники на лимбе — спикулами. Спикулы расположены в нижней хромосфере главным образом на границе супергранул. Внешне спикулы похожи на струи, пламя или горящую изгородь. Каждая спикула живет от 2 до 10 мин, затем на ее месте появляется новая. На «Скайлэбе» было получено много тысяч фотоснимков спикул и сеточной структуры верхней хромосферы. Этот верхний хромосферный слой имеет температуру около 70 000 К. В него вкраплены ощетинившиеся ряды спикул, высота которых над поверхностью достигает 25 000 км. На снимках в ультрафиолете, полученных на «Скайлэбе», на солнечной полярной шапке видны гигантские спикулы высотой 40 000 км и шириной, в два раза превышающей размеры Земли. Эти спикулы существовали около часа. Они являются одним из проявлений вспененной структуры хромосферы, из которой вещество может выплескиваться со скоростями, превышающими 150 км/с.

Теперь я хочу описать невидимую составляющую атмосферы — солнечное магнитное поле. Магнитное поле Солнца измеряет особый прибор, называемый магнитографом. Физический принцип, положенный в основу этого прибора, связан с возмущением электронной структуры атома магнитным полем. В результате энергетические уровни атомов расщепляются, образуя тонкую структуру. На спектре отдельные линии видны расщепленными на отдельные близко расположенные составляющие. Кроме того, излучение расщепленных линий поляризовано. Путем определенной комбинации фильтров поляризованные линии могут быть выделены, а их относительные интенсивности измерены. В результате могут быть определены напряженность и направление магнитного поля. В настоящее время такие измерения проводятся систематически при помощи магнитографов, а измеряемые параметры магнитного поля представляются либо в виде электронных сигналов, либо изображений на фотопленке или на экранах телевизионных трубок и мониторов.

Рис. На магнитограмме, полученной с помощью солнечного телескопа Мак-Мас, видны области положительной (белые) и отрицательной (темные) полярности магнитного поля. Видна большая группа солнечных пятен (справа внизу), близкая к распаду. Сильное магнитное поле на поверхности связано с активными областями на Солнце; это области, в которых сильное магнитное поле из недр Солнца проникает на поверхность. (Национальная обсерватория Китт-Пик, США.)

Солнечное магнитное поле имеет очень сложную структуру. На Земле ситуация относительно проста: наша планета имеет постоянное магнитное поле, являющееся дипольным (как у магнитного бруска) с двумя магнитными полюсами. Магнитное поле Земли постепенно меняет свое направление, и за несколько сотен тысяч лет сменит его на обратное. Но день ото дня или даже на протяжении годов ничего особенного не происходит. Геофизики полагают, что магнитное поле Земли генерируется механизмом типа динамо в жидком металлическом ядре Земли. Поле Солнца имеет сложную структуру и меняется непрерывно. Более того, магнитное поле Солнца примерно каждые 11 лет «переворачивается», что является одним из проявлений почти регулярного цикличного характера изменений на Солнце.

Если уйти очень далеко от Солнца и измерить его магнитное поле таким способом, каким мы обычно это делаем для звезды, результат будет очень разочаровывающим. Напряженность магнитного поля будет редко превышать 1 Гс, что примерно в 10 раз больше, чем среднее поле Земли, и сравнимо с напряженностью очень дешевого игрушечного магнита. У других звезд, например у белых карликов, очень сильное магнитное поле, в несколько тысяч гаусс. А у нейтринной звезды или пульсара поверхностное магнитное поле достигает миллиарда гаусс. Очевидно, дневная звезда мало что может предложить изучающему звездный магнетизм.

Но давайте придвинемся ближе, чтобы увидеть отчетливо диск, затем крупномасштабную структуру. В полярных областях (гелиофизическая широта более 60°) существует отчетливо выраженная структура радиального относительно поверхности магнитного поля. Это поле меняется, но медленно, характерное время изменений составляет несколько лет. Оно состоит из множества маленьких магнитных элементов, и поэтому его нельзя считать общим магнитным полем.

При помощи «Скайлэба» мы смогли получить наглядное представление о структуре магнитного поля в полярных областях. Фотографии Солнца, полученные из космоса в ультрафиолетовой области спектра, выявили ажурную структуру силовых линий, на существование которой затменные фотографии давали только слабый намек. В полярных областях силовые линии открыты и простираются в космическое пространство, и поэтому вещество легко может улететь наружу. Это область макроспикул, представляющих собой вытянутые вертикально структуры огромного объема. Свободный поток вещества вызывает появление грациозных корональных лучей, связанных с яркими корональными пятнами.

Наблюдения магнитного поля с высоким пространственным разрешением отчетливо выявили огромное число беспорядочно распределенных узелков с напряженностью магнитного поля, равной 1000 Гс и более. Полярности магнитного поля у различных узелков могут быть разными, и поэтому при усреднении магнитные поля почти вычитаются, что приводит к значению напряженности общего магнитного поля около 1 Гс.

Рис. Солнце — это звезда с переменным магнитным полем.

Данные указывают на существование крупномасштабной структуры магнитного поля в фотосфере, но она опять же состоит из более мелких элементов. Магнитное поле вытягивается далеко в пространство, образуя секторную структуру межпланетного магнитного поля. В каждом секторе доминирует одна полярность; полярности в соседних секторах различны. Эти секторы могут быть прослежены вплоть до солнечной поверхности.

Наблюдения с высоким пространственным разрешением, по-видимому, покажут, что большая часть магнитного потока в фотосфере концентрируется в ярких факельных точках, так называемых филигри, действительно образующих филигранную структуру. Эти яркие точки, подобно спикулам и волокнам, скапливаются на границах супергрануляционных ячеек. Напряженность магнитного поля внутри малых магнитных элементов, поперечный размер которых составляет 200—300 км, около 1000 Гс. Большая часть магнитного потока сосредоточена в таких ячейках.

Самые высокие значения напряженности магнитного поля, равные нескольким тысячам гаусс, наблюдаются в солнечных пятнах и в областях бурной активности. О наличии пятен на Солнце знали уже с античных времен, хотя последователи Аристотеля отказывались верить в их реальность. Из многих совершенно независимых источников древнего Востока мы знаем, что ученые проводили тщательные наблюдения солнечных пятен за сотни лет до изобретения телескопа. Они образно сравнивали их со сливами, воронами. При прозрачной земной атмосфере большие пятна нетрудно увидеть на Солнце, когда оно близко к горизонту. Однако последователи Аристотеля избегали таких наблюдений. Для них небесные объекты представляли собой верх совершенства. Поэтому Солнце — не просто сфера, а идеальная сфера и, следовательно, ни в коем случае не может быть обезображено уродливыми черными пятнами.

Эти догмы, перенесенные в европейскую мысль трудами Фомы Аквинского, чрезвычайно осложняли жизнь Галилея. Баварец Кристоф Шайнер изготовил несколько небольших телескопов и использовал их для наблюдения Солнца, спроектировав его изображение на экран. После семи месяцев наблюдений он пришел к выводу, что на сверкающем изображении Солнца видны пятна. Еще несколько человек увидели пятна на изображении Солнца, поэтому их нельзя было считать результатом оптического обмана. Пятна имели одинаковый вид при использовании различных телескопов и, следовательно, появились не из-за несовершенства линз. Шайнер исключил также влияние высоких облаков, поскольку положение пятен на Солнце не менялось при наблюдениях из различных мест. Нет, решил Шайнер, эти пятна или на Солнце, или очень близко от Солнца. В конце концов, он пришел к выводу, что это планеты или что-то подобное им и что они обращаются над диском Солнца. Он просто не мог допустить в соответствии с традиционными философскими воззрениями, что Солнце может оказаться нечистым.

Галилей услышал об открытиях Шайнера и принялся за работу. У него не было иллюзий относительно Солнца, которое он отнюдь не считал совершенным. Будучи достаточно ловким политиком, Галилей объявил о своем приоритете на открытие, утверждая, что он наблюдал солнечные пятна значительно дольше года. Но как бы там ни было, он действительно зарисовывал и регистрировал солнечные пятна и сделал много важных открытий. Он обнаружил, что они рождаются и умирают, меняют размер. Наблюдая пятна вблизи лимба, он обратил внимание на изменения формы, вызванные эффектом перспективного сокращения на сфере. Галилей был уверен, что пятна расположены на Солнце и что Солнце является сферическим телом. Однако критика Галилеем работы Шайнера привела к тому, что последний обиделся и позднее плел против него интриги.

Темная центральная часть большого солнечного пятна называется тенью, окружающая тень волокнистая серая область пятна — полутенью. Но пятна только кажутся темными, поскольку они погружены в яркую фотосферу. Если бы пятно можно было рассматривать отдельно, то мы бы увидели, что оно светится сильнее, чем электрическая дуга, так как его температура равна 4000 К, то есть примерно на 2000 К меньше температуры фотосферы. Солнечное пятно средних размеров на фоне темного неба казалось бы таким же ярким, как Луна в полнолуние.

Вильям Гершель полагал, что солнечные пятна представляют собой реальные дыры в горящей атмосфере Солнца. Темная центральная часть пятна, тень, по его мнению, — обитаемая планета, расположенная под солнечной огненной поверхностью. Вот что Гершель писал относительно обитаемости дневной звезды в 1795 году: «Солнце, по-видимому, не что иное, как самая заметная большая и светлая планета, очевидно первая среди всех остальных; говоря строже, единственная главная планета, все остальные на самом деле по сравнению с ней второстепенны. Она похожа на другие планеты Солнечной системы своей твердостью, атмосферой, разнообразием форм поверхности, вращением вокруг собственной оси, тем, что на нее падают тяжелые тела. Это заставляет нас предположить, что, по всей вероятности, она, так же как и другие планеты, населена существами, чьи органы приспособились к особым условиям этой огромной планеты».

То, что пятна представляют собой углубления на поверхности Солнца, было установлено больше двадцати лет тому назад благодаря исследованиям Вилсона. Он наблюдал постепенное изменение формы симметричного пятна при его приближении к краю Солнца. Вблизи края исчезает темная тень пятна. На основании наблюдений был сделан вывод, что пятно представляет собой углубление в форме воронки. Расчеты показали, что тень пятна в среднем лежит ниже уровня фотосферы на 700 км.

Рис. Группа пятен.

Темная область тени покрывает примерно 1/5 площади пятна средних размеров. Внутри тени заметна активность. Так, при самых хороших условиях наблюдений можно обнаружить яркие точки внутри тени диаметром обычно около 100 км. Они живут всего несколько минут. Наблюдаются не очень сильные всплески яркости, возможно связанные с наличием магнитогидродинамических волн в нижних слоях тени. Пятно может также действовать как резонансная полость; об этом свидетельствуют обнаруженные в тени колебания.

Серая полутень кажется состоящей из радиальной сетки ярких волокон, видимых на темном фоне. Такая структура видна даже при помощи небольшого телескопа. Попробуйте проследить развитие солнечных пятен в течение нескольких последовательных дней, пользуясь методом проекции, о котором говорилось выше.

Именно изучение солнечных пятен выявило тот факт, что Солнце на экваторе вращается быстрее, чем на полюсах. Если вы обнаружили исчезновение солнечных пятен за краем диска, то примерно через 14 дней вы сможете их снова увидеть на противоположном краю. Средний период вращения солнечных пятен, наблюдаемый с Земли, составляет 27,28 дня, причем на экваторе пятна движутся немного быстрее среднего, а на широтах в 40° немного медленнее.

Как возникают солнечные пятна, откуда они берутся? На такой вопрос с физической точки зрения не так просто ответить. Мы рассмотрим эту проблему в следующей главе. Здесь же опишем кратко, как выглядит развитие группы солнечных пятен на поверхности Солнца. В возмущенной области фотосферы появляются темные поры. Процесс возникновения пор занимает около часа, и они исчезают примерно через день, если не разовьются в настоящие пятна. Никто пока не знает, почему поры появляются, где и когда они образовались. Поры или маленькие пятна обычно (но не всегда) превращаются в пару солнечных пятен. Вначале эти пары располагаются параллельно солнечному экватору. Ведущее, или головное, пятно обычно более компактно и движется немного быстрее, чем хвостовое пятно. Часто в промежутке между двумя основными пятнами появляются маленькие пятна. Если это произойдет, то хвостовое пятно может исчезнуть, остается только лидер (головное пятно), медленно уменьшающееся в размерах. Пятна могут иметь различные формы и размеры. Большинство пятен больше Земли; редко, может быть раз в 10 лет, а то и того реже, большая и сложная группа распространяется на одну пятую часть диска. Пятна, размер которых больше 40 000 км, можно увидеть невооруженным глазом, когда Солнце очень близко к горизонту (правда, это не совсем безопасно). Время жизни группы солнечных пятен — от нескольких дней до многих месяцев. В 1946—1947 гг. наблюдались самые большие пятна со времени изобретения телескопа; площадь одного из этих гигантов составляла 10¹⁰ км².

С солнечными пятнами связано другое образование на поверхности Солнца — факелы. Факелы имеют вид областей, яркость которых выше яркости обычной фотосферы. Яркие, с хорошо развитой структурой факелы часто окружают солнечные пятна. Использование узкополосных фильтров позволяет получить фотоснимки, на которых видны только факелы без фотосферы. Структуру фотосферных факелов можно проследить на всех уровнях солнечной атмосферы, но с увеличением высоты факелы расплываются, становясь более диффузными. На фотографиях факелы лучше видны вблизи лимба, где перспектива подчеркивает контраст. Время жизни факелов короче, чем пятен, и составляет в среднем несколько часов.

Рис. Факелы на Солнце.

Космическая астрономия дала новые ценные сведения о солнечных пятнах и связанных с ними явлениях атмосферы. Одним из результатов является обнаружение прямого влияния солнечных пятен на атмосферу Солнца вплоть до короны. На фотоснимках, полученных в космосе, видны арочные структуры, расположенные между пятнами, температура которых, равная примерно 300 000 К, намного меньше температуры чрезвычайно горячей короны (2×10⁶ К). Благодаря такой низкой температуре они и видны на фоне прозрачной короны.

В фотосфере и под фотосферой происходит так много разнообразных физических процессов, что пройдет еще немало времени, пока мы полностью в них разберемся. Физики и астрономы являются ежедневными свидетелями происходящей здесь зачаровывающей борьбы между силами давления горячего газа и запутанными магнитными полями, в то время как солнечное излучение прокладывает себе путь к остальной Вселенной. Плазма с температурой в сотни тысяч градусов взлетает вверх или скользит вниз из короны. Темные пятна рождаются и умирают. Это настоящий рай для физиков: они могут следить, как силы природы стараются переиграть друг друга в битве, которая должна длиться 10 млрд. лет, в битве, в которой победить может только гравитация.

Активность и солнечный цикл

Солнечные пятна — один из типичных примеров «погоды» в фотосфере и атмосфере Солнца. Понятие «активное Солнце» включает в себя также вспышки, протуберанцы — гигантские языки газа, вырывающиеся в корону, а также всплески шумового радиоизлучения. Все это — примеры энерговыделения, которое происходит при не очень сильном нарушении устойчивости внешних слоев Солнца. Часто причиной таких нарушений является очень сильная скрученность магнитного поля. Колебательная природа магнитного поля — его скручивание и последующее раскручивание — дает ключ к пониманию мощных всплесков энергии на Солнце. В отличие от планеты Земля дневная звезда обращается с магнитным полем, как с игрушкой, закручивая его все плотнее и плотнее до тех пор, пока в конце концов оно не срывается, подобно перекрученной часовой пружине. Название «солнечный цикл» относится к почти регулярным сериям наблюдаемых на Солнце изменений, которые сопровождают процесс наматывания и последующего освобождения магнитного поля. Эта интригующая картина поведения поля на Солнце впервые привлекла внимание астрономов при наблюдениях солнечных пятен.

Наблюдения солнечных пятен, используемые для научных исследований, астрономы проводят в течение почти трех последних столетий. Некоторые элементарные сведения о пятнах можно отыскать и в более отдаленном прошлом. Галилей проводил свои наблюдения в 1610—1611 гг., и с этого периода регистрация пятен то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась вновь. К 1843 г. Г.Швабе из Дессау собрал достаточно много данных для того, чтобы подтвердить долгое время существовавшее предположение о регулярных флуктуациях числа солнечных пятен. Швабе показал, что число пятен на диске меняется циклически, достигая максимума примерно через каждые одиннадцать лет. Следующим, кто внес существенный вклад в исследование солнечных пятен, был Р.Вольф, который в середине XIX столетия собрал все, какие только мог, данные о пятнах и привел их к удобному виду. Он установил, что средний период цикла равен 11,1 года.

Рис. Изменение числа Солнечных пятен.

Для того чтобы придать смысл субъективному суждению о степени запятненности Солнца, определение числа солнечных пятен, данное Вольфом, используется до сих пор. Это число, определяющее меру солнечной запятненности, принимает во внимание как число групп солнечных пятен, так и число самих пятен, наблюдавшихся в данный день. Каждая группа принимается за десять единиц, а каждое пятно — за единицу. Общий отсчет за день — число солнечных пятен Вольфа; оно может быть и столь малым, как нуль, и столь большим, как 200. На каком основании Вольф выбрал для группы значение, равное десяти? Он должен был что-то выбрать— и в этом вся причина; хотя у его выбора нет физической основы, но схема разумна и позволяет за счет введения большего веса для групп пятен учитывать степень объединения пятен в группы. Качество пудинга определяется на вкус — вот почему астрономы до сих пор пользуются системой Вольфа. И последнее, что следует упомянуть: существует система корректировки числа пятен (несколько напоминающая гандикап, используемый на бегах, или раунд в гольфе), с помощью которой учитываются отличия в индивидуальных свойствах наблюдателей, различие в оборудовании и погодных условиях.

Рис. Широтно-временное распределение пятен — «Бабочки Маундера». С развитием цикла пятна появляются ближе и ближе к экватору.

Кривая среднемесячного числа солнечных пятен совершенно отчетливо показывает периодическое изменение числа солнечных пятен. За последние 50 лет течение цикла несколько ускорилось (хотя и незначительно) и цикл уменьшился примерно до 10,5 лет. Усреднение за 200 лет дает период в 11,2 года. За последние 300 лет самый короткий период был равен 7 годам, самый длинный — 17. Другими словами, поведение цикла регулярно лишь в среднем. Если посмотреть на изменение чисел солнечных пятен за три столетия, то можно заметить, что в подъеме и спаде максимумов, по-видимому, существует некоторая система. Возможно, это указывает на то, что существует другой цикл, равный примерно 80 годам, который модулирует одиннадцатилетний и о котором мы в действительности ничего не узнаем в течение ближайших нескольких сотен лет. Заметим также, что подъем до вершины максимума занимает меньше времени (примерно четыре года), чем спад, который обычно продолжается около шести лет.

Хотя система счета Вольфа хорошо выдержала испытание временем, сегодня более разумно измерять солнечную активность количественными методами. Это именно то, чем занимаются в настоящее время обсерватории, которые ведут регулярные патрульные наблюдения за Солнцем, используя в качестве меры активности оценку площадей солнечных пятен в миллионных долях площади видимой солнечной полусферы.

Одновременно с возрастанием числа солнечных пятен сами пятна также мигрируют в направлении солнечного экватора, который наклонен к плоскости орбиты Земли (т.е. к эклиптике) под углом в 7°. Г.Шпёрер (1822— 1895) из Потсдамской обсерватории был первым, кто исследовал эти изменения с широтой. Он и Ричард Кэррингтон (1826—1875) — английский астроном-любитель, сделавший очень много для солнечной астрономии, провели большие серии наблюдений периодов обращения пятен. Исходя из этих наблюдений, они подтвердили тот факт, что Солнце не вращается как твердое тело. Они обнаружили, что на широте 30°, например, период обращения пятен вокруг Солнца на 7% больше, чем на экваторе.

Е.Уолтер Маундер, суперинтендант Королевской обсерватории в Гринвиче (Лондон) в 1904 г. опубликовал интересную диаграмму, выявляющую миграцию солнечных пятен по широте в течение солнечного цикла. Эта «диаграмма бабочек» отчетливо показывает постоянное смещение пятен от высоких широт к более низким. Обычно первые пятна нового цикла появляются примерно на гелиоширотах ±30°, хотя они могут появляться и выше, вплоть до ±40°. По мере прохождения цикла пятна появляются все ближе к экватору. Они достигают ±15° в максимуме числа солнечных пятен и в конце цикла образуют сгущение на диаграмме вблизи широты ±5°. Отметим, что эти пятна не движутся в направлении экватора, в действительности смещается лишь место наиболее вероятного появления пятен. В конце цикла вблизи экватора могут существовать пятна старого цикла, в то время как на высоких широтах уже возникают пятна нового цикла.

В 1908 г. Джордж Эллери Хейл открыл магнетизм солнечных пятен. В 1950-х годах Бэбкоки, используя более совершенный магнитограф, показали, что в солнечных активных областях существуют биполярные магнитные поля. Поведение магнитных полей в солнечных пятнах дает нам ключ к пониманию природы механизма, управляющего солнечной активностью. Измерения магнитного поля в группах, состоящих из двух солнечных пятен, отчетливо показывают, что эти два пятна имеют противоположные полярности, указывая на то, что линии магнитного поля выходят из одного пятна и входят в другое. В течение отдельного солнечного цикла и в данной полусфере ведущее пятно (ведущее в направлении солнечного вращения) всегда одной и той же полярности. В противоположной полусфере по другую сторону экватора выполняется то же самое, но знак полярности обратный. Это поведение сохраняется в течение всего солнечного цикла, а затем, когда включается новый цикл, полностью меняется на противоположное. Конец одного цикла солнечных пятен и начало следующего сопровождаются сменой знака солнечных магнитных полей, при которой даже слабое общее поле медленно меняет направление на противоположное. Этот процесс занимает около года. Таким образом, магнитный цикл Солнца составляет полных двадцать два года плюс — минус несколько месяцев.

Хотя солнечные пятна являются единственным признаком активности, наблюдаемым невооруженным глазом, солнечная активность — значительно более широкое понятие. Активная область на Солнце — чрезвычайно возмущенная зона, часто (хотя и не всегда) связанная с солнечными пятнами, — это область, где происходят многие явления активности: факелы, вспышки, протуберанцы и т.д. Единственное, что связывает все эти явления воедино, это интенсивное магнитное поле, достигающее нескольких тысяч гаусс. В действительности активные области, размеры которых составляют от 10 000 до 500 000 км, представляют собой наиболее поразительное свидетельство магнитной жизни Солнца.

Факелы — это области в фотосферных слоях, которые кажутся яркими на фотоснимках в белом свете и снимках, полученных через фильтр. Вблизи молодых и развитых активных областей факелы плотные и яркие. Гевелий в XVII столетии, по-видимому, был первым солнечным наблюдателем, который заметил факелы. Тесно связаны с факелами флоккульные области; они наблюдаются в хромосфере и сливаются с внутренней короной. Для активных областей могут быть построены карты распределения эмиссии в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Одной из наиболее важных задач орбитальных обсерваторий как раз и является получение снимков в ультрафиолетовом и рентгеновском излучении. В этих диапазонах изображение активной области расплывается и имеет менее четкую структуру, однако она все еще ограничена магнитным полем.

Бушующая хромосфера — это именно та область, в которой многие из эффектов солнечной активности проявляются наиболее резко. Эту область и неустойчивые слои над ней нелегко исследовать с поверхности Земли, поэтому столь важной задачей исследований на «Скайлэбе» и других спутниковых программ было изучение солнечной активности. Многие из событий наиболее хорошо исследованы в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах излучения потому, что их бурное развитие проявляется главным образом на этих длинах волн. Исследование солнечных пятен и больших активных областей было нетрудной задачей для «Скайлэба».

Транзиентные же и взрывные явления потребовали уже более тщательных наблюдений с космического корабля и наземных обсерваторий. Эти совместные наблюдения позволили получить значительно более ясную картину возмущений в хромосфере и короне.

По данным о солнечных пятнах и активных областях может быть построена модель активности, но мы подчеркиваем, что это именно модель, а не законченная теория. Фактически мы пытаемся объяснить механизм формирования «погоды» во внешних слоях Солнца таким же образом, каким метеорологи объясняют области пониженного и повышенного давления, фронты в атмосфере Земли. С точки зрения теории и прогноза метеорологи значительно опередили астрономов-солнечников. Это едва ли удивительно, так как понимание механизма формирования «погоды» на «космическом корабле» Земля для человечества гораздо важнее исследований Солнца.

Еще существеннее то, что солнечная «погода» связана с горячей плазмой — материей, которую трудно чем-либо удержать и которая течет вдоль силовых линий магнитного поля, что приводит к проблемам большой математической сложности. С другой стороны, недостаточность понимания нами активности не является серьезным ограничением в отношении исследования Солнца как звезды, так как даже наиболее сильные солнечные бури меняют выход энергии Солнца лишь на одну миллионную долю, а это не может изменить общей картины его эволюции.

В настоящее время широко принято, что солнечная активность своим происхождением обязана магнитному полю и что она возникает вследствие того, что Солнце не вращается как жесткое тело. Наблюдения показывают, что экваториальная зона постоянно опережает при своем вращении полярные области. Возможно, хотя не существует ни доказательств, ни отрицания этого утверждения, внутренние слои Солнца вращаются быстрее внешних. К чему это нас приводит?

Прежде всего, нам необходимо уяснить одну важную мысль, а именно ту, что солнечное вещество горячее, вследствие чего в нем существует много свободных электронов, образующихся в результате частичной ионизации атомов. Это происходит лишь при очень высокой температуре. Электроны образуют электрический ток; вещество же, содержащее свободные электроны, является хорошим проводником электричества, подобно железу и меди. (Свободные электроны существуют в холодных металлах благодаря тому, что атомы в металлах образуют кристаллическую решетку. Это приводит к разделению положительно заряженных атомов и свободных электронов.) Когда электрически заряженное вещество, имеющее высокую проводимость, пытается двигаться в направлении, противоположном направлению магнитного поля, обнаруживается, что сделать это оно не может. В том случае, если оно все же пытается перемещаться, поле создает электрические токи, которые текут таким образом, что возникающая вторичная магнитная сила противодействует движению. Если эти рассуждения смущают Вас, можно посмотреть на все и иначе: когда облако электронов перемещается относительно магнитного поля, они автоматически генерируют дополнительное магнитное поле, которое, вместо того чтобы ускорять движение, противодействует ему. Если бы это было не так, то сейчас весь транспорт и энергетика Земли обеспечивались бы машинами, работающими по принципу вечного двигателя.

Что же касается Солнца, то на Солнце магнитное поле захватывается горячим веществом или вмораживается в него. При своем движении солнечное вещество увлекает за собой столько магнитного поля, сколько сможет. Так как экватор при вращении опережает полюса, силовые линий магнитного поля растягиваются, но в отличие от спагетти линии поля при таком наматывании не обрываются; они скорее похожи на чрезвычайно эластичную резину. Как и у резины, чем больше они растягиваются, тем больше в них запас энергии. Для начала возьмем простую модель Солнца: чисто дипольное поле, как, например, у обычного стержневого магнита, с невозмущенными силовыми линиями, соединяющими полюса. Затем заставим его вращаться, причем вещество на экваторе пусть вращается быстрее, чем вещество на более высоких широтах. Через несколько десятков оборотов линии первоначального простого поля обмотаются несколько раз вокруг Солнца. Этот процесс продолжается и далее, и каждый раз, когда экватор совершает один оборот относительно полюса, магнитные тиски вокруг Солнца сжимаются сильнее, стягивая силовые линии все теснее и теснее. Более того, то, что когда-то было магнитным дипольным полем, постепенно превращается в сильное поле, по форме напоминающее пончик (или тороидальное поле). Силовые линии теснят друг друга. В конце концов какое-то из полей (дипольное или тороидальное) должно уступить.

Когда напряженность поля в какой-либо части внешних слоев достигает примерно 10 000 Гс (это приблизительно в 100 000 раз больше напряженности поля Земли), магнитное давление становится достаточно сильным для того, чтобы уравновесить силу солнечного притяжения. Теперь плазма закручивается и свивается в жгуты, запутывая силовые линии еще больше, благодаря перемешиванию внешних слоев за счет конвекции. Поле запутывается в виде беспорядочно переплетающихся жгутов или узлов. Местами оно прорывается через фотосферу, образуя области всплывающего потока, которые являются первой стадией образования солнечной активной области. Линии нового магнитного поля таким образом поднимаются на поверхность Солнца. Области, в которых они выходят на поверхность, имеют биполярную структуру в виде пары северного и южного магнитных полюсов. Впервые биполярная структура наблюдалась в солнечных пятнах в начале XX столетия. Эта стадия может сопровождаться яркой флоккульной областью. Примерно через день возникает и сама пара солнечных пятен, и оба пятна связывает арочная структура волокон, которая, по-видимому, очерчивает структуру магнитного поля. Эти арочные волокна могут достигать в длину 30 000 км и иметь высоту, равную 5 000 км, другими словами, могут быть много больше Земли.

Внутри области, занятой солнечными пятнами, магнитное поле в виде трубки выходит из одного пятна и, образуя арку, входит в другое. Эта картина естественным образом объясняет двойную полярность и также хорошо согласуется с наблюдениями арочных волокон. Наблюдения с космических аппаратов, особенно наблюдения активных областей, позволяют теперь проследить эту структуру и значительно выше фотосферы.

В конце 1960-х гг. Спенсер Р.Вирт детально исследовал возникновение новых активных областей на Солнце. Использование метода киносъемки, показывающего развитие активной области на Солнце в ускоренном темпе, позволило ретроспективно проследить развитие солнечного пятна вплоть до первых нескольких часов его появления. Одним из удивительных открытий было то, что всплывающая из-под солнечной поверхности арка магнитного поля первоначально образует произвольный угол по отношению к экватору. Однако через несколько часов под действием магнитного поля и за счет перестройки силовых линий всплывающая трубка разворачивается и занимает нужное положение. Таким образом обеспечивается параллельность пары солнечных пятен по отношению к экватору на Солнце. Тот факт, что ориентация трубок на более ранних стадиях почти случайна, предполагает, что магнитное поле под поверхностью может представлять собой хаотическое переплетение силовых линий.

Когда всплывает арка магнитного поля новой группы пятен, она разворачивается и занимает нужное положение. Асимметричный характер области солнечных пятен может возникать следующим образом. Если всплывающее магнитное поле нуждается лишь в небольшом повороте, группа пятен растет. Когда же это поле необходимо повернуть на большой угол, «неправильное» пятно (пятно с обратной полярностью) больше, и группа вскоре исчезает. По этой причине почти у всех в действительности наблюдаемых пятен предшествующее пятно больше; другие группы просто не выживают.

«Скайлэб» впервые дал астрономам возможность исследовать протяженные структуры активных областей, простирающиеся в верхнюю хромосферу и нижнюю корону. Наблюдения, проводившиеся одновременно на нескольких «невидимых» длинах волн, выявили тонкую структуру в области, лежащей непосредственно над активной областью в фотосфере. Наиболее важным открытием было то, что активные области, несомненно, определяются арочными магнитными трубками. Внутри этих трубок, упирающихся своими основаниями в солнечную поверхность, удерживается высокотемпературное вещество.

В максимуме солнечной активности новые области появляются из-под фотосферы с частотой одной области в день. Они всплывают на поверхность за счет конвекции в центре супергрануляционных ячеек.

Гелиофизиков до сих пор занимает проблема относительно более низкой температуры внутри солнечных пятен. Вне всякого сомнения, в пятне работает мощный процесс охлаждения, который отводит тепло от пятна столь эффективно, что температура падает почти на 2000 К. Существует несколько возможных объяснений этого. Одно из них заключается в том, что сильное магнитное поле, захваченное опускающимся вниз под фотосферу веществом, может в значительной степени замедлить процесс конвекции и таким образом создать изолирующий слой под пятном, резко уменьшив приток энергии. Аналогично действует изолирующее перекрытие из стекловаты или минерального волокна, уменьшающее число оборотов больших конвективных ячеек непосредственно под перекрытием крыши. Зимой снег медленнее всего тает на хорошо изолированных крышах из-за того, что они самые холодные. Другое возможное объяснение состоит в том, что над пятнами вещество, быстро растекаясь, охватывает большую площадь, вследствие того, что стекает вдоль силовых линий. Это растекание плазмы должно приводить к локальному охлаждению фотосферы. И наконец, существует предположение о том, что над пятном генерируются магнитно-гидродинамические волны и что они могут накачивать энергию вверх в корону. Теории, теории, теории...; какая же из них верна? Может быть, их комбинация? Все теории имеют свои трудности, одной из которых является то, что энергию, уносимую из пятна, явно не удается обнаружить где-либо в другом месте. Если модель изолирующего слоя верна, почему мы не видим вокруг края пятна ярких колец, через которые должно уходить отклоняемое тепло? И аналогично, если существует какой-то механизм накачки, то следовало бы ожидать, что в короне будут видны яркие точки. В конце концов, холодильники и морозильники должны иметь теплообменник или вентилятор для того, чтобы избавиться от ненужного тепла.

Во время солнечного цикла новые пятна впервые возникают на широтах ±40°, там, где, как полагают ученые-солнечники, происходит первоначальный сдвиг магнитной структуры. Магнитная плавучесть выносит поле из нижней конвективной зоны с глубины 200 000 км. Этот вынос поля приводит к переносу давления в более высокие широты. Однако дифференциальное вращение продолжает наматывать силовые линии все ближе к экватору, в результате чего пятна также постепенно приближаются к экватору. На конечной стадии цикла силовые линии на экваторе настолько сближаются, что происходит «короткое замыкание», уничтожающее большую часть магнитного поля. Новый цикл начинается с движения силовых линий в противоположном направлении — поле одного знака навстречу полю другого знака — из-за того, что динамо-поле Солнца меняет свое направление в конце цикла на противоположное. Когда возникают первые пятна нового цикла, их полярности также противоположны полярностям пятен предшествовавшего цикла.

В объяснении того, каким образом действует солнечное динамо, существуют значительные трудности. Кроме того, решение этой проблемы должно учитывать и другой неизвестный фактор — не вращается ли Солнце внутри быстрее? В течение некоторого времени в начале 1970-х годов казалось, что у Солнца действительно есть быстро вращающееся ядро, однако, когда не удалось обнаружить сжатие (сплюснутость к полюсам), которое должно было бы возникать в случае быстро вращающегося ядра, это представление было поставлено под сомнение.

Проблемы, связанные с вариациями магнитного поля Солнца, было бы легче решить, если бы эти вариации были регулярными, но даже эта регулярность была поставлена под сомнение поразительными результатами, полученными при тщательном изучении исторических записей. Эти записи показывают, что солнечные пятна не всегда появлялись и исчезали таким же образом, как в течение последних 250 лет. В 1976 г. астроном Джон Эдди просмотрел записи, в которых упоминались солнечные пятна за последние 1000 лет, и пришел к выводу, что Солнце в течение этого периода претерпевало значительные изменения, заслуживающие самого пристального критического рассмотрения.

Ключевая информация о существовании реальных изменений была получена следующим образом. Галилей и Шайнер наблюдали изменения на Солнце в 1610—1611 гг., но прошло 230 лет, прежде чем Генрих Швабе обнаружил отчетливый период, разделяющий максимумы; на первый взгляд столь длительный период, потребовавшийся для открытия солнечного цикла, едва ли делает честь первым исследователям Солнца. В конце XIX столетия два наблюдателя — Гюстав Шперер в Германии и Е.В.Маундер на Гринвичской обсерватории (Англия) в пяти научных работах указали на тот факт, что в течение 70-летнего периода вплоть до 1716 г. пятен на солнечном диске, по-видимому, почти не было. В течение примерно половины этого времени, т.е. с 1672 по 1704 г., на северной полусфере Солнца практически никаких пятен вообще не было видно. Что касается групп солнечных пятен, то за шестьдесят лет, предшествовавших 1705 г., была замечена лишь одна. Маундер, имевший то преимущество, что он следовал за Шперером во многих из этих исследований, смог поддержать эти утверждения ссылкой на научную литературу того периода. Эдди, обратившись вновь к работам того периода, цитирует статью, опубликованную Лондонским королевским обществом. В ней говорится следующее о наблюдении в 1671 г. солнечного пятна: «...в Париже Высокочтимый синьор Кассини недавно вновь обнаружил Пятна на Солнце; насколько мы знаем, ни одно из них не наблюдалось в течение уже многих лет». Кассини писал, что его открытие было сделано через двадцать лет после того, как астрономы в последний раз видели значительные пятна на Солнце. И заключительный аккорд был взят в 1684 г. английским Королевским астрономом Флемстидом, который следующим образом сообщил о появлении пятна: «Эти явления, столь частые в дни Шайнера и Галилея, были за последнее время столь редкими, что данное появление — единственное, наблюдавшееся мною на его диске с декабря 1676 г.». В действительности к тому времени, когда Маундер обратился к этому вопросу, в литературе существовало уже много упоминаний о пропавших пятнах.

Свой анализ Маундер основывал главным образом на довольно скудных архивных данных и, что более сомнительно, на только кажущемся правильным доводе о том, что отсутствие свидетельств есть свидетельство отсутствия. Приняв во внимание многие ранее не рассматривавшиеся факты, Джек Эдди заново проанализировал все данные и пришел к выводу, что минимум Маундера действительно имел место, а не обязан своим происхождением ошибочным или неполным наблюдениям. Так, например, было обнаружено, что в начале XVIII века, когда вновь появились пятна, число регистраций появления полярных (северных) сияний внезапно возрастает; в настоящее время астрономы установили, что полярные сияния значительно ярче тогда, когда на диске много пятен.

Новейшее подтверждение длительных промежутков спада солнечной активности следует также из исследований содержания в прошлом тяжелого радиоактивного изотопа углерода, известного под названием углерод-14. Этот изотоп входит в состав двуокиси углерода земной атмосферы, которая, поглощаясь растениями и деревьями, становится частью их древесной ткани. Когда спокойны как «погода на Солнце», так и его магнитное поле, интенсивность потока заряженных частиц, которые носят название космических лучей и постоянно пронизывают всю нашу Галактику, у Земли больше. Если Солнце магнитоактивно — на нем много пятен, и возросшее магнитное поле до некоторой степени экранирует Землю от галактических космических лучей. Космические лучи, проникая в нашу атмосферу, при своем столкновении с другими атомами воздуха создают углерод-14. В конечном счете, меньшая солнечная активность и более слабое магнитное поле будут соответствовать большему количеству углерода-14 из-за того, что в этом случае увеличивается число столкновений космических лучей с атомами атмосферы Земли. По существу, измеряя количество углерода-14 в годичных кольцах деревьев, ученые находят, каким образом его естественное содержание изменялось в прошлом. Когда эти исследования впервые были проведены, ученые были озадачены продолжительным ростом содержания углерода-14 между 1650 и 1700 годами. Теперь мы видим, что эта аномалия тесно связана с маундеровским минимумом солнечных пятен.

Факты, подтверждающие реальность маундеровского минимума, а также убедительные свидетельства о более ранних понижениях солнечной активности, были получены из исследований исторических описаний и астрономических трактатов Востока. Эта работа была, в частности, проведена двумя английскими астрономами — Дэвидом Кларком и Ричардом Стефенсоном. Хотя в европейских источниках нет почти никакого упоминания о солнечных пятнах до Галилея, иначе обстоит дело на Востоке, откуда до нас дошла целая россыпь наблюдений. В чем причина такого различия? В Европе ученые того времени считали, что Солнце совершенно, и поэтому сама возможность существования солнечных пятен исключалась на основании теоретических (точнее, догматических) предпосылок. На Востоке это ограничение на оригинальную мысль не было господствующим, и, как следствие этого, существует множество живописных и поэтических упоминаний о наблюдавшихся невооруженным глазом солнечных пятнах. Вот примеры, взятые из переводов Кларка и Стефенсона: «Солнце было ослепительно красным, как пламя. На диске его был виден трехногий ворон. Его очертания были резкими и отчетливыми. Через пять дней он исчез» (352 г.н.э.). «На восходе Солнца и перед самым закатом на диске его было видно темное пятно размером с куриное яйцо; через четыре дня оно исчезло» (579 г.н.э.). Это прекрасный пример того, насколько легче пятна наблюдаются невооруженным глазом тогда, когда Солнце находится вблизи горизонта и светит сквозь темную дымку. Восточные описания за период в 1500 лет содержат много живописных оценок размеров пятен: «подобно сливе», «величиной с финик», «размером с монету» (28 г. до н.э.), или «черный туман, подобный летящей сороке». Эти характеристики не содержат никакой количественной оценки, тем не менее группа в виде летящей сороки (188 г. н.э.) существовала в течение нескольких солнечных оборотов («...через несколько месяцев он постепенно исчез»), так что она, должно быть, была громадной.

Восточные записи, по-видимому, указывают на два любопытных спада активности продолжительностью примерно в 200 лет. Один, в течение которого не было зарегистрировано невооруженным глазом ни одного солнечного пятна, продолжался от 600 г.н.э. до 800 г.н.э.; другой, во время которого лишь дважды наблюдались пятна, — с 1400 г.н.э. до 1600 г.н.э. Интересно, что период в 20 лет, предшествующих 1400 г.н.э., содержит множество сообщений о солнечных пятнах, что говорит о том, что солнечная астрономия в то время процветала. Кроме этих двух подозрительных пауз существуют еще три более короткие, которые своим происхождением, возможно, обязаны скорее отсутствию энтузиазма наблюдателей, чем реальному отсутствию пятен. Действительно же выдающейся особенностью больших спадов активности является их совпадение с соответствующими максимумами содержания углерода-14 в атмосфере. Еще один спад, с 1280 до 1350 г.н.э., также сопровождается возрастанием содержания углерода-14; это отклонение от нормы называется малым средневековым минимумом. Спад с 1400 г.н.э. до 1660 г. н.э.— минимумом Шпёрера, а тот, что следует за изобретением телескопа — маундеровским минимумом.

Открытие продолжительных периодов, свободных от солнечных пятен, примерно за два тысячелетия солнечных наблюдений подрывает уверенность в том, что дневная звезда имеет регулярный 11-летний цикл. Несомненно, действует другой заметный эффект — эффект, который может «выключать» пятна и уменьшать магнитное поле. Это явление подтверждается исследованиями содержания углерода-14 в ископаемых остатках растений и в особенности в кольцах деревьев. Дополнительное подтверждение следует из более косвенных наблюдений: в тех случаях, когда мала активность, протяженность короны во время солнечного затмения уменьшается. Во время маундеровского минимума (в реальности которого можно теперь не сомневаться) было отмечено также заметное отсутствие полярных сияний, которые, как мы теперь знаем, являются индикаторами сильных магнитных бурь на Солнце. Все говорит о том, что Солнце — не прогнозируемая переменная звезда, какой ее привыкли считать астрономы, а звезда, поведение которой подвергается значительным непредсказуемым изменениям. Согласно предположению Эдди, в настоящее время Солнце, возможно, приближается к большому максимуму в двадцать втором или двадцать третьем столетии.

Исследование древних рукописей с упоминанием солнечных пятен, очевидно, сохранит свое значение и в будущем. В настоящее время мы не знаем, почему солнечный цикл нерегулярен, хотя и знаем, что это действительно так; нет у нас и достаточно убедительных представлений о том, какое действие изменения активности могут оказывать на интенсивность излучения Солнца и, следовательно, какое действие они оказывают, если вообще оказывают, на погоду Земли.

Уже во время затмений было замечено, что размеры короны меняются с солнечным циклом. Корона, будучи относительно компактной и однородной в минимуме, в солнечном максимуме значительно больше и имеет сложную структуру. Когда на Солнце много пятен, корона характеризуется многочисленными длинными лучами, которые выглядят подобно лепесткам цветка. Корона также значительно ярче в максимуме. Во время маундеровского минимума наблюдатели описали корону как небольшое слабое свечение. Но лишь через несколько лет, в 1715 г. наблюдатель в Кембридже дал первое приемлемое описание короны и лучей (стримеров). В солнечном максимуме корона представляет собой поистине захватывающее зрелище. В минимуме истинная корона может даже полностью поблекнуть, остается лишь кольцо света, образующееся в результате рассеяния солнечного света пылью межпланетного пространства. От солнечного минимума к максимуму плотность частиц в короне возрастает вдвое, а температура — примерно на 20%.

Во время затмения случайный зритель, а в эру телевидения и наблюдатель у экрана телевизора могут увидеть не только корону, но и протуберанцы. Существует несколько типов этих прекрасных образований, но лишь некоторые из них непосредственно связаны с активным Солнцем. Наблюдателям Солнца протуберанцы известны уже много столетий. В далеком 1239 г. во время затмения в короне была видна «горящая дыра»; по всей вероятности, это был гигантский протуберанец. Протуберанцы, по-видимому, упоминались и летописцами России в средние века. Во время затмения 2 мая 1733 г. Б.Вассениус в Гётенбурге в Швеции видел три или четыре протуберанца, о которых он говорит как о красном пламени; он считал эти явления облаками в атмосфере Луны. Любопытно, что все эти наблюдения были полностью забыты, так что астрономы были удивлены, когда во время затмения 8 июля 1842 г. некоторые из них заново открыли протуберанцы, которые они интерпретировали как горы на Солнце.

Значительный прогресс был достигнут к концу XIX столетия с изобретением фотографии и спектроскопии. Спектры, полученные во время затмения 1868 г., выявили в протуберанцах яркие эмиссионные линии. С тех пор протуберанцы правильно объясняют как светящиеся облака газа, лежащие высоко над поверхностью Солнца. Между прочим, именно во время этого затмения была открыта яркая спектральная линия, которую нельзя было связать с излучением какого-либо из известных тогда атомов, вследствие чего ее приписали новому солнечному элементу — гелию.

Рис. Протуберанцы во время солнечного затмения.

Что же такое все-таки протуберанец? Самым простым, хотя и не особенно научным, определением протуберанцев является следующее: протуберанцы — это структурные образования, которые напоминают пламя или штору, когда они наблюдаются на солнечном лимбе, как, например, во время солнечных затмений. Однако не все образования такого вида — протуберанцы, некоторые из них являются вспышками, о которых мы расскажем позднее. Несколько более научным будет утверждение о том, что протуберанцы — это холодные и плотные массы вещества в горячей короне. Они принимают множество различных форм, не меняющихся в течение интервала от нескольких месяцев до нескольких часов.

В прошлом гелиофизики предполагали, что протуберанцы представляют собой напоминающие фейерверк мощные выбросы вещества, исторгнутые из фотосферы. Однако современная фотосъемка, позволяющая проследить развитие протуберанца в ускоренном темпе, показывает, что во многих протуберанцах холодное вещество постоянно течет из короны в фотосферу.

Гелиофизики подразделяют все протуберанцы на два вида — активные протуберанцы и спокойные протуберанцы. Эта классификация существует с 1875 г. Названия активных протуберанцев — сёрдж (сплошной выброс), спрэй (выброс в виде струи из пульверизатора), петельный и эруптивный протуберанец — связываются с перемещающимися с высокой скоростью мощными крупномасштабными движениями вещества. Краткое рассмотрение некоторых из этих типов протуберанцев дает нам представление об их разнообразии.

Корональные облака висят в короне; вещество из них стекает в активные области нижележащей фотосферы. Обычно они существуют день или два и расположены на высотах в несколько десятков тысяч километров. Протуберанцы типа коронального облака по своим размерам, как правило, значительно больше Земли. Одновременно с корональными облаками могут наблюдаться явления типа коронального дождя, которые представляют собой излучающее вещество, стекающее вдоль искривленных силовых линий магнитного поля в фотосферу и ее активные области. Капли коронального дождя падают вниз со скоростями 50—100 км в секунду (100 000 миль в час). Не все протуберанцы выбрасываются высоко в корону; протуберанцы типа «холм», которые легче всего наблюдать вблизи солнечного лимба, являются низко-лежащими образованиями.

Существует несколько типов эффектных протуберанцев. В протуберанцах типа торнадо магнитное поле закручено в вертикальную спираль, вследствие чего протуберанец напоминает по своему виду смерч (торнадо). Петельные протуберанцы состоят из вещества, образующего в короне арки, которые своими концами упираются в солнечные пятна или вблизи них. Эти протуберанцы связаны с самыми сильными проявлениями солнечной активности. В вершине петли корона чрезвычайно горячая, и вещество низвергается вниз через оба основания петли. Иногда наблюдаются явления типа взрыва. Спрэи — это мощные выбросы горячего вещества со скоростями около 400 км в секунду (достигающими 1,5 млн. км в час), в которых начальное ускорение чрезвычайно велико — ускорение в несколько сотен g не является чем-то необычным. Когда оно превышает минимальную скорость ухода вещества от Солнца, некоторая часть вещества, действительно, навсегда покидает Солнце. Наблюдения приводят к предположению о том, что некоторые из спрэев происходят тогда, когда плазменный пузырь, плотно стянутый магнитным полем, неожиданно взрываясь, разносит свою клетку вдребезги. Иногда вещество выбрасывается вертикально вверх в виде протуберанца, известного под названием сёрдж. Примерно за пятнадцать минут он достигает высоты 100 млн. км в короне, а затем начинает падать обратно вдоль первоначальной траектории. Эти протуберанцы тоже, по-видимому, вызваны взрывом магнитного поля и горячего вещества в фотосфере, подобным взрыву бомбы. Запуск орбитальных космических лабораторий позволил гелиофизикам исследовать свойства протуберанцев и других явлений типа выброса на частотах невидимого, но обладающего большой энергией ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Ультрафиолетовый спектрогелиограф на «Скайлэбе» зарегистрировал эффектный солнечный выброс, взметнувшийся на половину радиуса Солнца (расстояние, в 50 раз большее диаметра Земли). Как выяснили, это была струя гелия с низкой температурой 50 000 К, выброшенная в горячую корону с температурой 2 млн. К. На рентгеновских изображениях заметно также множество выбросов в корону в виде шипов — спайков.

Рис. Гигантский эруптивный протуберанец изверженный 4 июня 1946 г.,

Спокойные протуберанцы в целом более спокойные явления и не обязательно имеют какое-либо отношение к избытку энергии в активных областях. Они наблюдаются в ослабленных, старых магнитных областях и представляют собой длинное вертикальное полотнище излучающего вещества, мерцающее над солнечной поверхностью. Основания этих светящихся штор совпадает с границами супергрануляционных ячеек. В отличие от активных протуберанцев спокойные протуберанцы развиваются медленно и существуют несколько месяцев. На лучших фотоснимках видно, что структура спокойного протуберанца состоит в основном из серий тонких вертикальных прядей (толщина прядей, между прочим, составляет 200 км), по которым вещество медленно стекает со скоростью 3500 км в час, и это очень медленная скорость для плазмы в протуберанце! Каким-то образом в вершины этих протуберанцев поступает новое вещество, так как без подвода нового вещества они не смогли бы так долго существовать.

Одним из самых больших когда-либо наблюдавшихся протуберанцев и наиболее известным из всех был протуберанец 4 июня 1946 г. Он, несомненно, был непревзойденным по красоте. Гигантская арка, протянувшаяся на три четверти миллиона километров, пульсировала в хромосфере и короне, а затем внезапно начала подниматься вверх, пока не исчезла в короне.

Протуберанцы обычно фотографируют на лимбе Солнца, где они подобно языкам пламени выступают на фоне бархатно-черного неба. Но их можно видеть и на солнечном диске, где они выглядят как темные змееподобные образования, называемые волокнами. Конечно, они не совсем темные, но значительно менее яркие, чем сияющая фотосфера, и поэтому на фоне диска кажутся темными.

Спикулы, упоминавшиеся ранее в этой книге, можно во многих отношениях рассматривать как мини-выбросы или протуберанцы. Напоминая по форме конус и имея диаметр около 1000 км, они простираются в корону на расстояние, в десять раз превышающее их диаметр. Одновременно на Солнце насчитывается несколько тысяч спикул, каждая из которых до своего исчезновения существует в течение пяти или десяти минут.

Краткое ознакомление с протуберанцами может создать впечатление, будто протуберанцы представляют собой полыхающие над Солнцем горячие языки пламени. В действительности, как мы увидим далее, это не так. Протуберанцы находятся в нижней короне, где электронная плотность составляет примерно 10⁸ электронов на 1 см³, а температура приблизительно равна 1 млн. К. С другой стороны, сами протуберанцы имеют электронные плотности по меньшей мере в 100 раз большие — от 10¹⁰ до 10¹² электронов на 1 см³ — и температуры около 10 000 К. Другими словами, протуберанцы значительно плотнее и много холоднее короны; их электронная температура порядка 10 000 К означает, что большая часть их энергии, несомненно, излучается в оптическом спектре. Другое дело — корона, гигантская температура которой приводит к тому, что вещество становится прозрачным для оптического излучения и превращается в мощный источник рентгеновского излучения.

Солнечные вспышки — другое значительное явление, связанное с активными областями; они, по-видимому, представляют собой наиболее сложные явления, наблюдаемые во внешней солнечной оболочке. Солнечная вспышка представляет собой совокупность ярких световых вспышек в солнечной атмосфере. Они продолжаются менее часа, иногда в течение лишь нескольких секунд, после чего гаснут. Хотя самые яркие вспышки могут быть видны и при наблюдении Солнца в белом свете, их легче обнаружить и проанализировать, если отфильтровать большую часть обычного солнечного света. Поэтому солнечные вспышки наблюдают, как правило, через узкополосные фильтры, которые пропускают лишь спектральные линии водорода или кальция. На фотоснимках в линии водорода обычно заметно уярчение в нижней атмосфере (вероятно, во флоккульной области), похожее на звездочку. Во время вспышки солнечная атмосфера (главным образом хромосфера) уярчается во всем электромагнитном спектре. Внезапное выделение накопленной в магнитном поле энергии приводит к временному локальному нагреву плазмы. Разряд электромагнитной энергии в области вспышки приводит к тому, что электроны, протоны и другие заряженные частицы получают мощный ускоряющий импульс. Почти мгновенно электроны устремляются во все стороны со скоростью, близкой к скорости света, и, взаимодействуя как с другими заряженными частицами, так и с магнитным полем, начинают излучать энергию во всем диапазоне электромагнитного спектра — от сверхдлинных радиоволн до высокоэнергичного рентгеновского излучения. Самые впечатляющие вспышки неистовствуют обычно в тех областях, где пятна особенно велики.

Вспышки — наиболее значительные из проявлений солнечной активности, влияющих на Землю. Заряженные частицы, выбрасываемые во время вспышек, вторгаются в верхнюю атмосферу нашей планеты. Именно вспышки возмущают ионосферу, прерывая радиосвязь и вызывая полярные сияния.

Во время вспышек сильно возрастает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение от Солнца, так как вспышки являются высокотемпературными высокоэнергичными явлениями. В наших знаниях о вспышках был достигнут значительный прогресс благодаря наблюдениям со «Скайлэба». Решающим фактором этих исследований была непрерывность последовательности изображений, полученных во время полета «Скайлэба». Астрономы смогли проследить развитие вспышек с самого момента их появления и обнаружили, что они начинаются в вершинах плотных арок магнитного поля, вытянутых от Солнца в виде петель. Измерения подтвердили, что энергия, выделяемая на коротких длинах волн, действительно много больше энергии, выделяемой в оптическом диапазоне.

Рис. Вспышка на Солнце.

В ультрафиолетовом спектре вспыхивающих областей наблюдается до 5000 различных эмиссионных линий. В период пребывания первого экипажа на «Скайлэбе» ученые сфотографировали вспышку в свете паров железа при температуре 17 миллионов градусов. Возможно, что температура вспышки достигала 20 миллионов градусов, что горячее, чем в ядре солнечного реактора. Этот высокий уровень возбуждения переводит атомы хромосферы в более высокое энергетическое состояние и определяет спектр, богатый эмиссионными линиями.

В течение солнечного цикла, определяемого количеством пятен на диске, число вспышек соответственно растет или уменьшается. Вспышка начинается, по-видимому, тогда, когда в магнитном поле активной области накапливается избыточная энергия. Это происходит вследствие того, что магнитное поле над группой из двух солнечных пятен закручивается кверху или оказывается плотно сжатым. На некоторой стадии этого процесса возникающее напряжение стремится разрядиться, и это действительно происходит в тот момент, когда силовые линии магнитного поля быстро перезамыкаются и сливаются друг с другом. Выделяемая при пересоеди-нении линий энергия, вероятно, и вызывает те чудовищные ускорения, которые наблюдаются, когда плазма устремляется в корону. Согласно данным, полученным при наблюдениях с помощью телескопа из космоса, сам процесс вспышки, по-видимому, происходит в верхней части петельной структуры над парами солнечных пятен.

Чрезвычайно быстрое выделение энергии во вспышке является загадкой для теоретиков. Каким-то образом магнитное поле постоянно накапливает энергию, и вопреки всем типам малых возмущений, которые должны существовать там вследствие неистовых метаний вещества в активной области, оно способно помешать серьезной утечке избыточной энергии. Затем энергия, столь экономно накопленная, разом высвобождается в виде единого мощного потока, в котором выделяется до 10²⁵ джоулей; эта энергия равна энергии, испускаемой всем Солнцем за одну двадцатую долю секунды, или полному количеству солнечной энергии, получаемой планетой Земля в течение целого года! Выброс массы во время такого события достигает 10 млрд. т, и вся эта масса уносится от Солнца со скоростью 1000 км в секунду, причем отдельные частицы достигают скорости, равной половине скорости света.

Исследования вспышек на обсерваториях, проводящих оптические наблюдения, дополняются наблюдениями со спутников и ракет. При распространении вспышечного процесса через хромосферу и корону генерируется поток жесткого рентгеновского излучения, интенсивность которого менее чем за минуту достигает своего максимального значения. Излучение возникает, когда предварительно очень сильно ускоренные электроны резко тормозятся при столкновении с веществом вне самой вспышки. Большая часть генерируемого таким образом рентгеновского излучения возникает в плотной нижней хромосфере. Когда поток энергии достигает хромосферы, там происходит взрывообразный процесс нагрева вещества. Картина по своему виду напоминает взрыв газового пузыря, по которому полоснули лучом импульсного лазера. С гигантской скоростью, большей скорости ухода вещества от Солнца, расширяющаяся взрывная волна вырывается наружу, унося с собой в межпланетное пространство 10 млрд. т вещества дневной звезды.

На Солнце нет простых процессов, не прост и взрыв в атмосфере. Взрывная волна захватывает и уносит с собой часть магнитного поля, и движущиеся силовые линии этого поля могут действовать подобно гигантским ускорителям частиц. Ядерные частицы ускоряются до очень высоких энергий, хотя, если быть честным, ни один теоретик в действительности не понимает, как это происходит. Одним из следствий этого ускорения является образование дейтерия в результате достаточно жестких столкновений протонов и нейтронов; как я уже упоминал, гамма-лучи, испускаемые образующимися в атмосфере частицами дейтерия, были обнаружены.

Другой импульс гамма-излучения, регистрируемый от Солнца, обязан своим происхождением взаимной аннигиляции электронно-позитронных пар. Позитрон — это античастица электрона, и когда частица и античастица сталкиваются, что, по-видимому, и происходит в солнечных вспышках, они исчезают, рождая два фотона гамма-излучения одной и той же энергии — энергии, единственным образом характеризующей аннигиляцию данной электронно-позитронной пары. Наблюдаются и другие линии гамма-излучения, возникающие, вероятно, в результате столкновений между заряженными ядерными частицами и нейтронами.

Кроме очень энергичного рентгеновского и гамма-излучения регистрируется также и более мягкое рентгеновское излучение с тепловым спектром. Оно, как полагают, возникает в окружающей вспышку корональной плазме, которая во время вспышечного процесса была нагрета примерна до 10 млн. К. Подобный же механизм приводит к ультрафиолетовому излучению, которое, согласно наблюдениям, исходит из хромосферы.

Во время вспышки не сидят без дела и солнечные радиоастрономы. Значительная доля шумового радиоизлучения возбуждается заряженными частицами, захваченными движущимися магнитными полями. Большие солнечные вспышки часто сопровождаются всплесками шумового радиоизлучения на метровых длинах волн, которые включают в себя и всплески, известные под названием всплесков II типа. (Различные типы шумового радиоизлучения были классифицированы радиоастрономами как всплески I, II и т. д. типа, но лишь всплески II типа и III типа, по-видимому, непосредственно связаны со вспышками.) Через некоторое время после начала вспышки излучение становится заметным и на более низких частотах. Для его регистрации были сконструированы специальные приемники радиоизлучения. Эти радиовсплески начинаются примерно через десять минут после начала вспышки в оптическом диапазоне и продолжаются в течение примерно того же самого интервала времени. Они возбуждаются потоками ускоренных во вспышке частиц. Пучок частиц, пронизывая внешнюю солнечную атмосферу, при своем движении от Солнца способен возбуждать излучение на все более низких частотах. И действительно, с космического аппарата были зарегистрированы всплески на частотах с нижней границей до 300 кГц,, которые приходили с расстояния, более чем на тридцать солнечных радиусов отстоящего от солнечного лимба.

Развитие радиовсплесков во времени в виде последовательности прекрасных радиоизображений Солнца было проиллюстрировано австралийскими учеными под руководством Поля Вилда на Калгарской обсерватории в Новом Южном Уэльсе. Это высокоточный австралийский инструмент — интерферометр, состоящий из 96 элементов. Его назначение — дважды в секунду строить радиоизображение окрестностей Солнца. Изображение Солнца в радиодиапазоне представляет собой мозаику из кружков, диаметр каждого из которых приблизительно равен двум минутам дуги, что соответствует на Солнце примерно 100 000 км. Радиотелескоп не только регистрирует всплески II типа при их распространении от Солнца в космическое пространство, но и может строить радиоизображение гигантских протуберанцев.

Как видно из этой главы, Солнце —это слабопеременная магнитная звезда. Мы видим детали его магнитного поля с таким разрешением, которое немыслимо для других звезд. В то же время, если сравнить это магнитное поле с полями действительно магнитных звезд — белых карликов и нейтронных звезд, — оно весьма незначительно. Тем не менее это относительно слабое магнитное поле оказывает заметное воздействие на динамику поведения солнечной атмосферы и служит причиной целого ряда энергичных явлений: протуберанцев, шумовых бурь и вспышек. Находящееся под фотосферой магнитное поле контролирует рождение пар солнечных пятен. И пока продолжается дифференциальное вращение—машина, эффективно наматывающая силовые линии, — Солнце претерпевает свой уже знакомый цикл изменений. Но всегда ли так было? Существуют очень убедительные свидетельства, указывающие на то, что Солнце флуктуирует с периодами порядка столетий.

Хотя о магнитном поле Солнца мы знаем больше, чем о поле любой другой звезды, мы все еще слишком далеки от понимания механизма и природы этого магнетизма. И хотя я нарисовал качественную картину (или лучше сказать — дал некоторое представление) того, каким образом, возможно, возникают и развиваются солнечные пятна и вспышки, большинство исследователей правдиво скажут, что ни одно из этих явлений пока еще как следует не понято. У нас, безусловно, нет законченной теории первоначальной генерации магнитного поля или механизма периодической смены его знака. Многие вопросы все еще остаются без ответа. Каким образом вспышки накапливают магнитную энергию, до того как бомба взорвется? И что является запалом для бомбы? Это проблемы переднего края исследований, и поэтому в течение следующих нескольких лет их детальное рассмотрение будет продолжаться.

В заслугу исследованиям активного Солнца можно поставить то, что эти исследования привели к огромным достижениям в астрономии, астрофизике и физике плазмы.

На заре своей истории радиоастрономия была обязана своим развитием не только своим научным достижениям, но и тому, что могла претендовать на большую долю научных бюджетов, обусловленным, в частности, многообразием проявлений и форм солнечного радиоизлучения — темы, которой мы лишь коснулись здесь. Открытия в солнечной атмосфере, которую можно рассматривать как дешевую доступную естественную лабораторию, оказали очень сильное влияние на физику плазмы, — науку, исследующую, как движется и ведет себя горячая плазма при наличии магнитного поля. В истории человечества вторичное открытие солнечных пятен в XVII веке привело к существенному изменению сознания людей (наблюдая природу, доверяйте доводам своего разума, а догма пусть позаботится о себе сама), которое и заложило основу для совершенно нового научного века. Мы не должны забывать и о вызывающих трепет радиогалактиках и квазарах, неисчерпаемых источниках космической энергии в бесконечных далях Вселенной. Возможно, лишь немногое из того, что мы пытались узнать так близко от дома, может быть применимо к этим экзотическим объектам. Характерные для солнечной вспышки механизмы ускорения электронов, удержание магнитными полями, перераспределение энергии большого числа отдельных частиц в огромную энергию малого числа частиц — все эти и многие другие явления могут, вероятно, найти приложение в радиогалактиках, остатках сверхновых и рентгеновских звездах.

Одним из самых глубоких и острых вопросов, который мы можем поставить, является вопрос: как в действительности возникает солнечное магнитное поле? Солнце состоит из вещества с высокой электрической проводимостью, поэтому магнитное поле «вмораживается» в движущуюся плазму. Тот факт, что перемешанное вещество увлекает за собой магнитное поле, делает проблему исследования солнечного магнитного поля трудной для астрономии задачей. Разнообразные движения в плазме индуцируют электрическое и магнитное поля, создавая тем самым условия, способствующие установлению динамо внутри Солнца. В начале XX столетия Дж. Лармор предложил элементарную теорию солнечного магнитного поля, поддерживаемого за счет действия динамо. У.М.Эльзассер в 1940-х годах возродил эту теорию; далее в течение двух последующих десятилетий она был развита Е.Н.Паркером. По существу, теория предполагает, что магнитное поле уже существует, и стремится объяснить, как это поле может поддерживаться при условии, что вещество на Солнце является хорошим проводником электричества. Предположение о том, что на Солнце существует некоторое начальное магнитное поле, в действительности не содержит никаких серьезных трудностей. Магнитное поле существует в Галактике повсюду, поэтому при своем сжатии солнечная туманность совершенно спокойно могла захватить часть этого общемирового поля, сжимая и усиливая его по мере образования протосолнца.

Задача теории динамо заключается в том, чтобы показать, каким образом проводящая плазма, движущаяся в магнитном поле, может генерировать электрические токи, которые поддерживают магнитное поле вопреки его естественной тенденции к диссипации. Это — самовозбуждающееся или самоподдерживающееся динамо. Возможность его существования была установлена Е.К.Баллардом в 1949 г. Первые попытки Паркера решить эту проблему показали, что некоторые виды магнитного поля могут усиливаться за счет наматывающих движений солнечного дифференциального вращения. Более поздние работы, связывающие поле солнечных пятен, дифференциальное вращение и полный цикл солнечных пятен со слабым общим полем, укрепили уверенность астрономов в теории динамо. Тем не менее у нее пока еще нет прочной основы, и такой основы не будет до тех пор, пока расчеты и вычисления не оставят каких-либо сомнений относительно механизма действия динамо.

В космос

При синтезе водорода в своем центральном реакторе Солнце каждую секунду теряет около 4 миллионов тонн своей массы. Но этот акт превращения вещества в излучение — не единственный источник потерь массы Солнцем; с ним вполне может поспорить поток частиц, уносящихся от Солнца в виде солнечного ветра. На своих внешних границах корона очень горяча и лишь слабо удерживается гравитацией; к тому же при удалении от Солнца температура меняется медленно. Это приводит к ситуации, при которой горячая внешняя корона по существу постоянно расширяется в космический вакуум; это истечение вещества из короны и называется солнечным ветром.

Представление о том, что Солнце, возможно, выбрасывает частицы в космическое пространство, относится по меньшей мере к 1930-м годам, когда двое ученых, С.Чэпмен и В.Ферраро, предложили модель столкновения облаков солнечной плазмы с Землей для объяснения внезапных изменений магнитного поля на поверхности Земли. Новым ключом к разгадке послужило тщательное исследование в 1950-х годах хвостов комет. Астрономы, конечно, давно знали о том, что при движении кометы вокруг Солнца ее пышный хвост всегда направлен прочь от Солнца. Существовала теория, согласно которой под действием отклоняющего давления солнечного излучения хвосты комет вытягивались из головы кометы в направлении от Солнца. Однако наблюдатели комет начали замечать, что иногда в газе кометных хвостов наблюдаются внезапные необъяснимые скачки, как будто с хвостом что-то сталкивается. В 1951—1953 гг. немецкий астроном Л.Бирман предположил, что эти изменения могут быть вызваны непрерывно истекающими из Солнца частицами. Сегодня мы знаем, что модель Бирмана о взаимодействии частиц с хвостом неверна, но основная идея о солнечном ветре, истекающем радиально из Солнца, принадлежит ему. И наконец, в 1958 году Е.Н.Паркер рассчитал, что горячая корона просто не может оставаться вокруг Солнца в виде неподвижной оболочки; таким образом, невозможно избежать ее расширения в космическое пространство в виде ветра.

Рис. Комета Беннета 1970 г. Хвост кометы всегда направлен от Солнца, независимо от направления движения самой кометы, поскольку солнечный ветер и давление излучения отбрасывают кометное вещество прочь от Солнца. (Таутенбергская обсерватория, ГДР.)

Прямые измерения, подтверждающие существование ветра, стали возможны лишь в космический век. Советские межпланетные космические зонды, запущенные в 1959-1961 годах, обнаружили в космическом пространстве потоки заряженных частиц; американские ученые в 1961 году подтвердили этот общий результат на спутнике «Эксплорер-10». В 1962 году успешный полет ракеты «Маринер-2» к Венере снял все какие-либо остававшиеся сомнения. В течение трех месяцев этот корабль упорно прокладывал свой путь сквозь солнечный ветер, регистрируя средние скорости более 500 км в секунду — 1,5 млн. км в час.

1960-е и 1970-е годы были замечательным периодом для исследований солнечного ветра, так как резкий рост количества полученных данных привел к тому, что астрономы оказались в положении, когда они знали об этом ветре больше, чем о каком-либо другом виде плазмы во Вселенной. Но, как мы увидим позднее, солнечный ветер изучался и с помощью телескопов на Земле.

На различных стадиях истории астрономии изучение Солнца давало важную информацию астрофизикам, не занимающимся специально Солнцем; это одна из причин, продолжающих стимулировать детальные наблюдения Солнца. В 1964 г. произошло обратное: необходимость исследовать некоторые внегалактические радиоисточники с помощью новых методов по существу позволила оценить по достоинству тот факт, что солнечный ветер может быть полезен при попытках исследования очень далеких галактик. В начале 1960-х годов большинство усилий в области радиоастрономии было связано с радиогалактиками. Эти необычно возмущенные галактики являются мощными источниками радиоизлучения; они продолжают интересовать астрономов даже теперь, хотя, возможно, и не в такой степени, как раньше. Угловые диаметры некоторых из радиоисточников вне нашей Галактики, по-видимому, очень малы. Часть этих радиоисточников лежит вблизи эклиптики,— кажущегося пути Солнца относительно неподвижных звезд при наблюдении с Земли. Радиоисточники, лежащие на линии зрения, проходящей вблизи Солнца, действительно ведут себя очень странно. Наблюдения источников обнаруживают эффект, называемый сцинтилляцией. При этом в общих чертах происходит следующее: радиоволны, проходя сквозь облака плазмы вблизи Солнца, искажаются таким же образом, как и объекты, которые рассматривают над горячей поверхностью (скажем, нагретой плитой). При наблюдении сквозь поднимающиеся струи горячего воздуха кажется, что они мерцают и дрожат.

Дальнейшие исследования с помощью радиометодов выявили некоторые интересные свойства солнечного ветра. Эти исследования дополнили непосредственное изучение солнечного ветра со спутников типа ИМП. Солнечный ветер очень помог астрономам и в другом: телескоп, построенный в Кембридже для изучения вызываемых солнечным ветром сцинтилляций радиогалактик и квазаров, привел к открытию пульсаров, обнаруженных впервые в 1967 г.

Динамические свойства солнечного ветра тесно связаны с короной и ее магнитным полем. Это определяется тем, что солнечный ветер обладает очень высокой электрической проводимостью, вследствие чего поток ветра поперек силовых линий магнитного поля становится затруднен или даже невозможен.

Значительная часть солнечного магнитного поля, вытягиваясь, увлекается уносящимся от Солнца ветром. Скорость расширения, очень сильно зависящая от солнечной активности, а следовательно, и от количества тепловой энергии, поступающей в корону, испытывает большие вариации. Согласно измерениям с Земли, скорость истечения может возрасти от низких значений около 400 км/с до вдвое большей величины за пару дней. Скорость этих потоков обычно уменьшается до прежних низких значений более медленно. При этом максимальный поток сохраняется в течение нескольких дней. Как и принято в астрономии, скорости обозначают через расстояние в секунду; не забывайте, что 400 км в секунду — это свыше 1,25 миллиона км в час — настоящий шторм! Когда от Солнца устремляется новый поток, он регистрируется космическим аппаратом по внезапному возрастанию магнитного поля и плотности частиц вне корабля. Через несколько дней оба эти значения — и магнитного поля и плотности частиц — спадают до необычайно низкой величины. Вся картина напоминает волновой процесс с образованием гребней и впадин.

Как мы уже видели в предыдущей главе, когда на Солнце происходит большая вспышка, избыточное вещество выбрасывается из короны с высокой скоростью. Вследствие быстрого движения вещества от Солнца оно прокладывает себе путь в среде, движущейся более медленно с типичными скоростями солнечного ветра. В результате этого возникает «пробка», называемая ударной волной, толщиной в несколько миллионов километров. Другим источником избыточного вещества, пополняющим общий поток ветра, являются эруптивные протуберанцы.

Тот факт, что солнечный ветер увлекает за собой магнитное поле, имеет интересные следствия. В качестве одного из таких следствий можно указать на межпланетное магнитное поле, которое поддерживается за счет ветра. В пределах примерно трех солнечных радиусов от солнечной поверхности магнитное поле достаточно сильно, и его энергия преобладает над энергией ветра; другими словами, поток ветра определяется локальным магнитным полем. Однако за пределами этого критического расстояния ведущую роль играет ветер. В результате поле искажается и уносится ветром к границам солнечной системы. До расстояния, равного критическому, корона должна вращаться вместе с Солнцем как целое, но за его пределами она начинает отставать. Это происходит из-за того, что магнитное поле за пределами критического расстояния недостаточно сильно для того, чтобы заставить внешнюю корону жестко вращаться вместе с Солнцем. В результате линии коронального магнитного поля приобретают спиральную форму, напоминающую водяные струи, образующиеся когда ваш садовый шланг вывертывается из рук и начинает бешено крутиться; тот же самый эффект создается, хотя и не столь драматично, некоторыми типами вращающейся садовой поливальной вертушки.

Одним из интересных свойств ветра и магнитного поля является то, что поток не строго радиален (т.е. не похож на спицы велосипедного колеса). Если смотреть со стороны одного из полюсов Солнца, он закручивается под очень малым углом. Это означает, что ветер уносит с собой от Солнца угловой момент. Солнечный ветер действует подобно тормозу, который неумолимо замедляет вращение нашей дневной звезды. Это один из наиболее интересных вопросов, потому что одна из загадок Солнца как раз и заключается в том, почему оно вращается так медленно. В конце концов Солнце образовалось в результате сжатия части межзвездного облака; последнее до своего сжатия, возможно, и перемещалось в Галактике с небольшой скоростью, после конденсации в прото-Солнце должно было начать вращаться быстро. В некотором смысле Солнце избавилось от большей части той энергии вращения, которой оно когда-то обладало. Один из возможных способов — это потеря энергии за счет «эффекта рогатки», при котором Солнце выбрасывало солнечный ветер вдоль своих магнитных щупалец.

Простой расчет показывает, что тормоз — солнечный ветер — полностью замедлит Солнце примерно за 5 млрд. лет. Это современный возраст Солнца! Таким образом, сегодняшняя скорость вращения значительно меньше той, которая была при рождении Солнца. Возможно также, что магнитные связи между прото-Солнцем и протопланетами привели к такому строению солнечной системы, при котором почти весь полный угловой момент всей системы (98%) оказался сосредоточенным в планетах, а не в звезде-прародительнице. Это может объяснить, почему энергия вращения Солнца меньше энергии вращения многих других звезд; Солнце передало планетам большую часть своей энергии вращения на очень ранней стадии своей жизни. Действительная картина событий в солнечной туманности теперь потеряна в дымке времени; мы можем лишь сказать, что ветер продолжает действовать как слабый тормоз.

Из чего состоит солнечный ветер? Полеты «Аполлонов» к Луне позволили ученым-солнечникам изучить его химический состав. Во время посещения экипажами «Аполлона-11» и «Аполлона-12» Луны ими были развернуты куски алюминиевой фольги таким образом, чтобы они подобно парусу были обращены к Солнцу. В течение всего времени пребывания на Луне каждый лист фольги подвергался постоянной бомбардировке частицами солнечного ветра. Перед тем как отправиться домой, астронавты свернули эти куски фольги и привезли их с собой на Землю. Лабораторный анализ этих кусков фольги позволил точно оценить число и состав атомов, содержащихся в солнечном ветре. Это замечательное достижение, так как оно дает прямое определение состава солнечного вещества. Ученые показали, что отношение числа атомов гелия к числу атомов водорода равно примерно 1/20. В единицах массы это означает: 15% массы солнечного ветра составляет гелий, почти вся остальная масса — водород.

Сопоставим это значение с относительным содержанием гелия внутри Солнца согласно теоретическим расчетам. Относительное обилие гелия в космическом пространстве обычно принимается равным примерно одному атому гелия на каждые десять атомов других элементов; соответствующее соотношение для масс составляет 25—30% гелия от общей массы, что примерно в два раза больше содержания гелия в солнечном ветре. По-видимому, во внешней короне и солнечном ветре гелий менее распространен. В противном случае мы могли бы прийти к выводу, что измерения не верны. По всей вероятности, Солнце способно лучше удерживать свой атмосферный гелий, чем водород, вследствие чего у нас складывается ошибочное представление о дефиците гелия в короне. Другие составляющие, отождествленные в солнечном ветре, — это кислород, углерод, неон, кремний и железо. Они были обнаружены спутником «Вела» в конце 1960-х годов.

В общем потоке солнечного ветра существуют вариации, особенно в те периоды, когда наблюдаются высокоскоростные потоки. Они были зарегистрированы впервые в 1962 году американским космическим аппаратом «Маринер-2». Когда этот космический зонд встретился с потоком, средняя скорость потока удвоилась с 300 км в секунду до почти 600 км в секунду примерно за два дня; затем она уменьшалась в течение пятидневного периода. Наблюдения, проведенные последующими космическими аппаратами, установили, что эти устойчивые каналы для частиц, стремящихся покинуть Солнце, вращаются вместе с Солнцем. Это согласуется с важным результатом, полученным в 1963 году с межпланетного космического аппарата ИМП-1. Измерения направления межпланетного магнитного поля совершенно отчетливо продемонстрировали, что поле разбито на сектора, вращающиеся вместе с Солнцем. Внутри больших секторов магнитное поле имеет вполне определенную полярность, которая сохраняется и во время последующих солнечных оборотов. Секторная структура предполагает, что солнечный ветер в свою очередь должен возникать в тех секторах короны, магнитные поля которых организованы подобным образом. Одним из важных результатов, полученных со спутника ИМП-1, было обнаружение того факта, что магнитные поля в межпланетном пространстве образуют картину, позволяющую сопоставлять их с магнитными полями в фотосфере. После учета времени запаздывания, в течение которого солнечный ветер переносил поле от Солнца к ИМП-1, ученые достигли прекрасного соответствия между полем на диске и межпланетным полем. Это подтвердило ту точку зрения, что солнечное магнитное поле, солнечный ветер и межпланетное магнитное поле взаимосвязаны между собой. Высокоскоростная часть солнечного ветра имеет вид трубок, образующих в солнечной системе раскручивающуюся спираль. Со стороны Солнца трубки, по-видимому, прикреплены к тем точкам на Солнце, в которых магнитное поле радиально уходит в межпланетное пространство. Однако эти точки, по-видимому, не связаны тесно с солнечными активными областями. Интуитивно мы могли-бы ожидать, что солнечные пятна и активные области являются теми соплами реактивных двигателей, из которых дует солнечный ветер. Однако это не так: никакой отчетливой связи между обычными проявлениями солнечного ветра и изменениями числа активных областей не существует.

«Скайлэб» установил, что полярные области Солнца являются важным источником высокоскоростных потоков, наблюдающихся в солнечном ветре. Наблюдения, проведенные во время экспедиций на «Скайлэбе» и непосредственно после них, подтвердили, что высокоскоростной ветер течет из полярных шапок. В этих двух областях силовые линии магнитного поля разомкнуты, вследствие чего плазма может свободно истекать в межпланетное пространство. Магнитное поле вблизи Солнца имеет такую форму, что некоторые из высокоскоростных потоков отклоняются к основной плоскости солнечной системы, которая находится именно там, где проводятся измерения с космических аппаратов.

Солнечные вспышки оказывают вполне определенное воздействие на солнечный ветер, вызывая в нем возмущения, распространяющиеся сквозь нашу планетную систему. Представьте, что происходит: магнитное перезамыкание, с которого начинается вспышка, приводит к выделению в корону огромного количества энергии. «Осколки» вспышки — высокоскоростные электроны и протоны — вторгаются в обычный солнечный ветер и межпланетное поле, создавая ударную волну в том месте, где они сжимают плазму солнечного ветра. Космический аппарат, подобный тем, что составляют серию спутников «Вела», может проводить наблюдения таких ударных волн, так как многие из инструментов на его борту регистрируют резкие изменения скорости, плотности и температуры частиц в момент прохождения возмущения мимо корабля.

Кроме ветра, состоящего из атомных частиц, межпланетное пространство содержит также твердые частицы пыли и газообразное вещество, которые в целом и образуют солнечный ветер. Этой пыли обязано своим происхождением прекрасное явление, которое связано с Солнцем и лучше всего наблюдается в безлунные ночи в прозрачных небесах тропиков. Впервые действительно прозрачное небо я увидел вдалеке от городских огней в Новом Южном Уэльсе, в нескольких сотнях километров к югу от тропика Козерога. Меня поразил светящийся характер неба, столь отличный от неба Англии; в то время как я стоял под темным куполом Англо-Австралийского телескопа, маленький кусочек неба, видимый сквозь отверстие купола, казался абсурдно ярким — в конце-то концов, ночному небу полагается быть темным! Поразительное явление, вызывающее свечение ночного неба — это зодиакальный свет, солнечный свет, рассеянный пылью в межпланетном пространстве.

Рис. Зодиакальный свет.

В 1683 году Дж.Д.Кассини начал десятилетнее исследование зодиакального света. Он пришел к правильному выводу о том, что зодиакальный свет возникает в результате отражения солнечного света от пылевых частиц, которые образуют облако в виде толстой линзы с центром в Солнце, симметричной относительно главной плоскости солнечной системы. Дальнейшие соображения, опубликованные Д.Де Мэйраном в 1733 году, содержали уже правильное представление о том, что облако космической пыли простирается по крайней мере до орбиты Земли. При наилучших условиях видимости конус зодиакального света простирается вплоть до 60° от Солнца (которое в этот момент находится, естественно, ниже линии местного горизонта). Кажется удивительным, что наши знания об упоминаемой в поэзии и прозе «ложной заре» практически не изменились за три столетия после Кассини: у нас может быть больше данных, но модель его в основном верна.

Астрономы изучают зодиакальный свет по нескольким причинам. Одна из них — та, что зодиакальный свет является самым ярким протяженным источником света в небе низких земных широт, что позволяет легко измерять его характеристики. В частности, лишь получив спектр этого света, в котором были видны фраунгоферовы линии, мы смогли убедиться в том, что это действительно рассеянный солнечный свет, а не какое-то излучение другого, не связанного с Солнцем источника. Другая причина — в том, что зодиакальный свет дает нам метод, с помощью которого мы можем многое узнать о космической пыли, не посылая ракет в космос. Так как космическая пыль холодна и темна, единственным источником информации о ее крупномасштабных свойствах является анализ рассеянного солнечного света. Большинство частиц в действительности имеют размеры где-то между 10 и 100 микронами; микрон — миллионная доля метра. Эта пыль напоминает чрезвычайно мелкий порошок, значительно более мелкий, чем песок. Вдохнув некоторое количество ее, мы могли бы задохнуться.

С космического корабля, летящего к Юпитеру, исследовались свойства зодиакального света за орбитой Земли. Непосредственно при пересечении пояса астероидов свет все еще был заметен, но когда космический корабль достиг расстояния, втрое превышавшего расстояние от Земли до Солнца, никакой свет уже не регистрировался. Один лишь тот факт, что пыль и отражаемый ею слабый свет простираются на значительные расстояния от Солнца, позволяет предполагать, что отраженный солнечный свет должен прослеживаться вдоль всего темного ночного неба. И это действительно так. При сканировании фотометром вдоль эклиптики сигнал постепенно падает по мере возрастания углового расстояния от Солнца. Однако примерно на расстоянии в 150° от Солнца сигнал вновь возрастает и продолжает расти до тех пор, пока фотометр не достигает той точки на небе, в которой он нацелен в направлении, точно противоположном направлению на Солнце.

На больших угловых расстояниях от Солнца мы сталкиваемся с так называемым Gegenschein (слово это буквально означает «противосияние»), очень слабым отблеском света, наблюдаемым в направлении, противоположном направлению на Солнце, которое вызвано отражением солнечного света от пыли. Я никогда не видел противосияния, которое значительно слабее зодиакального света. Люди, которые видели его, говорят, что его поперечник составляет от 5 до 10° и оно имеет форму овала, большая ось которого направлена вдоль эклиптики.

Космическое пространство запылено главным образом из-за комет, вторгающихся внутрь солнечной системы. Как мы уже отмечали, при встречах с Солнцем кометы теряют газ и пыль, которые истекают из них в виде длинного хвоста, распускающегося под действием солнечного ветра. Кометы, чем бы они ни были, почти наверняка являются чрезвычайно древними членами солнечной системы, относящимися ко времени раннего образования твердых объектов, вращавшихся вокруг наполовину сформировавшегося Солнца. Многие вопросы, касающиеся комет, могли бы быть разрешены посредством запуска космического аппарата с целью перехвата одной из них; этот дорогостоящий метод должен быть ограничен теми кометами, приход которых можно предсказать задолго до их появления из-за продолжительного периода планирования, необходимого для подготовки космических полетов. В то время когда пишется эта книга, не кажется совершенно невероятным, что мы в 1986 году попытаемся перехватить комету Галлея. Без сомнения, кометы содержат значительную долю пыли, и, как показали исследования их хвостов, они щедро разбрасывают ее в космическом пространстве во время своего путешествия сквозь солнечную систему, оставляя самые большие следы в тот период, когда они ближе всего к Солнцу.

В 1970-х годах вследствие полетов «Скайлэба» исследования внешней околосолнечной среды были особенно плодотворными. Уже при построении изображения короны в высокоэнергичном диапазоне излучения со спутника ОСО-7 была выявлена ее большая сложность. На рентгеновских фотоснимках были замечены рассеянные по диску яркие точки и темные дыры в короне вместе с протянувшимися высоко в корону арками и петлями магнитного поля. Структура внешней короны действительно определяется магнитным полем, которое формирует потоки плазмы, вытягивающиеся от Солнца в виде щеток, шлемов и напоминающих языки пламени протуберанцев.

Как Секки понял уже в 1875 году, структура короны изменяется с солнечным циклом. К 1896 году К.А.Янг отождествил отличающиеся друг от друга характерные особенности максимального и минимального типов корональной структуры. Во время минимальной фазы, как мы уже отмечали, корона невыразительна. Относительно слабый свет дают структуры плазменных потоков, возникающие на низких широтах (вблизи солнечного экватора), и короткие щеточки. Потоки находятся над активными областями.

В периоды солнечной активности мы видим, что над полюсами Солнца существуют полярные щеточки, заметные во время интервалов минимальной солнечной активности. Эти вертикальные колонны плазмы достигают 8000 км в поперечнике и простираются до удивительных высот в полмиллиона километров. Над активными областями видны структуры, называемые шлемами; их верхние концы сходятся под острым углом в точке, находящейся на расстоянии одного или двух солнечных радиусов над поверхностью Солнца. Иногда над группами солнечных пятен вырастают огромные активные лучи — стримеры, на фотоснимках, полученных во время затмения, эти лучи можно проследить на протяжении пяти солнечных радиусов и дальше. Все эти поразительные детали корональной структуры — шлемы, щеточки, арки и лучи — по существу формируются внешним магнитным полем.

В фантастическом богатстве форм корональной структуры убеждают нас ультрафиолетовые и рентгеновские изображения, вроде тех, что были получены на «Скайлэбе». Как мы уже видели, корона чрезвычайно горяча и по существу прозрачна для излучения в оптической области спектра; во время затмений мы смотрим на корону сбоку. Для того чтобы получить изображение анфас, нужно использовать рентгеновские лучи, так как ободранные до самых нижних электронных оболочек атомы в короне излучают главным образом в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Эти ободранные атомы, называемые ионами, потеряли свои внешние электронные оболочки в раскаленной среде. Оставшиеся электроны совершают большие скачки между энергетическими уровнями атома, скачки, которые приводят к излучению больших порций энергии, в виде рентгеновских фотонов. Другим существенным фактором является то, что характер рентгеновского излучения весьма чувствительно зависит как от температуры, так и от электронной плотности; из обратного утверждения следует, что, построив изображение короны в рентгеновском диапазоне, мы сможем получить распределения температуры и плотности в короне. Действительно, интенсивность рентгеновского излучения определяется квадратом электронной плотности, тогда как интенсивность белого света зависит от того же количества электронов лишь линейно. Это одна из причин, объясняющих, почему на рентгеновских изображениях видны горячие или плотные области в короне с очень хорошим контрастом.

На рентгеновских фотоснимках солнечной короны большие и яркие области лежат над активными областями в фотосфере. Очевидно, что сильное и сложное магнитное поле определяет также и поток энергии в короне над активной областью. Петли, связывающие области противоположной магнитной полярности, выделяются очень хорошо.

На этих же снимках видны маленькие яркие точки рентгеновского излучения. Сопоставляя рентгеновские фотоснимки и магнитограммы, полученные в одно и то же время, легко заметить, что эти рентгеновские точки связаны с биполярными магнитными областями. Магнитные области, определяющие существование ярких рентгеновских точек, столь компактны, что инструменты сегодняшнего дня не позволяют отделить маленькие компактные петли магнитного поля, заполненные перемещающейся внутри этих петель горячей рентгеновской плазмой, от самых точечных источников. Рентгеновские точки существуют совсем недолго, затухая в течение нескольких часов. Яркие точки должны быть связаны с обычными активными областями, но по какой-то причине они существуют значительно более короткое время. Как и солнечные вспышки, они быстро зажигаются. Но в одном очень важном отношении они отличаются от активных областей; они рассеяны по всему Солнцу, а не ограничены подобно солнечным пятнам приэкваториальной зоной активности. Астрофизики предполагают, что яркие рентгеновские точки вносят существенный вклад в выносимый из Солнца магнитный поток. Вероятно, они выносят столько же магнитного поля, сколько и обычные активные области. Разбросанные подобно драгоценным камням по всему Солнцу, яркие точки столь многочисленны, что, возможно, большая часть солнечного магнетизма сосредоточена именно в них.

Рис. Солнечная корона.

Наиболее интересным открытием, сделанным при исследовании нашей ближайшей звезды с использованием высокоэнергичного спектра излучения, является, вероятно, открытие корональных дыр. Корональные дыры — это области, которые выглядят темными в условном цвете монохроматических рентгеновских фотоснимков, огромные корональные области, которые не излучают никакого рентгеновского излучения. В чем причина этого?

Корональные дыры впервые были обнаружены в начале 1970-х годов, сначала при наблюдениях в ультрафиолетовом диапазоне излучения. Первые ракетные исследования показали, что их название «дыры» противоречит действительности, так как плотность горячего газа в корональной дыре составляет около одной трети от нормальной плотности короны спокойного Солнца. Неверно это и в отношении всего остального: температура дыры примерно лишь в два раза меньше температуры остальной части короны. Переходная зона между хромосферой и короной в области дыры значительно толще. В те времена, когда астрономы могли проводить свои наблюдения лишь с Земли, дыры были хорошо укрыты от их глаз. Наблюдая свет дневной звезды из-под атмосферы, которая поглощает высокоэнергичное излучение, астрономы ничего не могли знать об их существовании, так как дыры не оказывают почти никакого влияния на фотосферу или нижнюю хромосферу. Вся кипящая поверхность Солнца, ее грануляция и супергрануляция, содрогание и трепет колеблющегося Солнца, ничем не отличаются в области дыры от аналогичных характеристик остальной части Солнца. Единственная отличительная особенность корональной дыры следует из рассмотрения ее магнитного поля, которое внутри корональных дыр разомкнуто и открыто во внешнее межпланетное пространство. В сущности корональная дыра — это очень большая область короны, которая холодна и имеет низкую плотность. В области корональной дыры слабое магнитное поле, расширяясь, вытягивается в направлении от Солнца. Таким образом, дыры являются важным источником солнечного ветра.

Рассмотрим теперь несколько детальнее баланс энергии в корональной дыре. Корона — это, вообще говоря, очень разреженный, очень горячий, самый внешний слой солнечной «луковицы». Взаимодействуя с окружающей средой, она передает энергию солнечного излучения в высшей степени холодной Вселенной, температура которой лишь на три градуса выше абсолютного нуля. Тепловая энергия, необходимая для поддержания корональной температуры на двухмиллионной отметке, обеспечивается за счет механических волн, которые, распространяясь из хромосферы в корону, превращаются в ударные и, взаимодействуя друг с другом, рассеиваются в ней. Дополнительный вклад в общий баланс энергии вносят и различные явления, связанные с солнечной активностью. В устойчивом состоянии корона по существу устойчива, и все, что в нее поступает, должно уходить из нее. Возникает проблема: дыры холоднее, почти на миллион градусов холоднее, чем остальная часть короны, так что они не могут излучать так же эффективно, как остальная корона. К тому же более медленное изменение температуры с высотой в переходной зоне означает, что теплопроводность из короны назад в хромосферу значительно отличается от нормальной. Таким образом, корональная дыра на каждом из своих концов, по-видимому, имеет по пробке. Одна из них уменьшает поток тепла, передаваемый за счет теплопроводности из короны в хромосферу, другая — уменьшает скорость, с которой тепло уходит из короны в холодную Вселенную. Тем не менее дыры устойчивы (согласно наблюдениям со «Скайлэба», продолжительность их существования достигала девяти месяцев), так что они должны каким-то образом избавляться от энергии.

Решение проблемы дает дальнейшее рассмотрение влияния открытого или расходящегося магнитного поля на солнечный ветер. В открытых областях, таких, например, как корональные дыры, истечение ветра происходит без каких-либо усилий, потому что ему не нужно увлекать за собой магнитное поле. Избыточная энергия не удерживается вообще: Солнце использует ее для того, чтобы вытолкнуть солнечный ветер из корональных дыр (основного источника ветра) в межпланетное пространство. Между прохождением по диску рентгеновского Солнца корональных дыр и приходом к Земле потоков высокоскоростных частиц в периоды усиления солнечного ветра существует точное соответствие. Ученые, наблюдавшие со «Скайлэба» корональные дыры, установили, что в том случае, когда делается поправка на несколько дней, необходимых для того, чтобы поток частиц в ветре достигал Земли, соответствие между дырами и потоками частиц очень хорошее. Отсюда следует, что дыры определенно оказывают на ветер заметное влияние. Они также косвенно влияют на изменение собственного магнитного поля Земли, а следовательно, имеют для нас на Земле практическое значение.

Вид Солнца со стороны полюсов может быть еще более интересным. В настоящее время мы не можем с легкостью заглянуть на Солнце со стороны его северного или южного полюсов, хотя кое-что восстановить можно, внеся соответствующие геометрические коррективы в вид тех чрезвычайно искаженных перспективой приполярных областей Солнца, которые доступны нашим наблюдениям с Земли. Случается, что дыры существуют и на полюсах. Во время полета «Скайлэба» в 1973 году одну из таких дыр можно было наблюдать в течение восьми месяцев. Она была настолько устойчива, что должна была быть очень эффективным источником солнечного ветра. Радиоастрономы, проводящие наблюдения далеких галактик и квазаров, подтверждают, что с их полюсов дует ветер. Вполне возможно, что этот основной поток с полюсов значительно более впечатляющ, чем та доля солнечного ветра, которую мы в виде экваториального потока и можем лишь измерять с Земли с помощью спутников или космических зондов. Существует интересное предложение послать космический корабль таким образом, чтобы он вышел из плоскости эклиптики и прошел над Солнцем с тем, чтобы посмотреть на один из полюсов. Этот внеэклиптический зонд необходимо, вероятно, направить сначала к гигантской планете Юпитер. Затем, как при игре в гигантский межпланетный биллиард, сильное гравитационное поле Юпитера должно резко развернуть корабль при его сближении с Юпитером и направить вверх от плоскости эклиптики. Тогда астрономы смогут провести прямые измерения плотности и скорости ветра над полюсами.

Солнце и Земля

Очевидно, что для человечества Солнце — небесное тело, оказывающее наибольшее влияние на Землю. В этой главе мы рассмотрим некоторые из путей воздействия излучения и частиц от Солнца на Землю, ее атмосферу и даже на нас.

Тепло и свет от Солнца согревают и освещают космический корабль «Земля», который был бы просто покрытой льдом холодной скалой, если бы его отодвинули от Солнца на расстояние, в десять раз превышающее теперешнее. Кроме этого хорошо знакомого теплового воздействия, Солнце влияет на Землю и другими, более тонкими способами: оно меняет состав и структуру внешних слоев атмосферы, деформирует магнитное поле в окрестности Земли и создает незабываемые картины полярных сияний. Ветвь астрономии, которая пытается понять сложные и многообразные взаимодействия между Землей и Солнцем, мы будем называть солнечно-земной физикой.

Примерно в 80 километрах над континентами и океанами начинается слой нашей атмосферы, называемый ионосферой. Ионосфера может простираться вплоть до высоты 1000 км. В этой области коротковолновое излучение Солнца, а также естественное космическое излучение (высокоэнергичные частицы, приходящие к нам из областей Вселенной, находящихся далеко за пределами Солнечной системы) взаимодействуют с атомами и молекулами атмосферы. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, высокоэнергичные частицы обладают энергией, достаточной для того, чтобы выбить электроны из атмосферных атомов и молекул и превратить их в свободные частицы. Поэтому эта часть атмосферы ионизована; она состоит из электрически заряженных атомов и молекул, а также свободных электронов. Область ионосферы богата кислородом и имеет высокую температуру—свыше 1000 К. Но воздух здесь столь разрежен, что, вопреки этой высокой температуре, он ничего не нагревает; температуру следует рассматривать лишь как меру скорости движения ионов и электронов. Так как Солнце является основным источником ионизующего излучения, разнообразные измеренные характеристики ионосферы меняются с изменением степени активности Солнца. Когда на Солнце мир и спокойствие, электронная плотность и протяженность ионосферы уменьшаются. Однако большие солнечные вспышки меняют это состояние и приводят ионосферу в возбужденное состояние.

До ракетного века ионосферу можно было исследовать лишь с помощью радиоволн. Однако в настоящее время, в эру спутниковых трансконтинентальных телевизионных передач телефонной и радиосвязи, легко забыть, что когда-то радиопередачи на большое расстояние полностью зависели от ионосферы. Так как эта область содержит много свободных электронов, она является хорошим проводником электричества. вследствие чего радиоволны с большой длиной волны отражаются от нее, как и от металлического экрана. Таким образом, радиосвязь с пунктами, находящимися за горизонтом, осуществляется за счет отражения радиоволн от нижней поверхности электропроводящей ионосферы. Такая связь причиняет довольно много неудобств, потому что ионосферный слой меняется в течение дня и зависит от времени года и уровня солнечной активности.

Именно ионосфера в основном не пропускает космическую радиацию (частицы, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение), весьма опасную для человеческой жизни. Иногда мы говорим, что ионосфера защищает нас от вредного воздействия солнечной радиации. Хотя верхняя атмосфера и обеспечивает эту защиту, важно сознавать, что сложная сегодняшняя жизнь на Земле развивалась из более простых форм в среде, подвергавшейся очень слабому воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Если бы ионосфера хуже защищала нас от внешних воздействий, жизнь, вероятно, развивалась бы иначе и организмы уже на стадии своего возникновения вынуждены были бы выработать у себя лучшую систему защиты от воздействия Солнца. Действительно, существуют простые примеры такого приспособления: темнокожие расы возникли в тропиках и темный цвет тела приобрели в силу необходимости защищаться от тех ультрафиолетовых лучей, которые не были поглощены воздухом уже ранее. Светлокожие люди могут приобрести темную пигментацию, подвергнув свою обнаженную кожу воздействию сильного солнечного света, но, если Вы — светлокожий, Вы, вероятно, на своем горьком опыте убедились, что стать темным можно лишь через несколько дней! Из-за того что жизнь развивалась под этим защитным покровом, мы не обладаем никакой естественной защитой от прямого воздействия Солнца. По этой причине и по ряду других необходимо, чтобы как космический корабль, так и одежда путешествующих в космосе имели специальный защитный экран.

Доза облучения, получаемая экипажами сверхзвуковых самолетов, летающих на очень больших высотах, должна непрерывно контролироваться медицинским персоналом. Пассажиры подвергаются меньшему риску даже в периоды высокой солнечной активности, так как они совершают значительно меньше высотных путешествий.

После большой солнечной вспышки резко возрастает число высокоэнергичных частиц в окрестности Земли. Частицы, обладающие самой высокой энергией, — это протоны, выбрасываемые из Солнца со скоростью, близкой к скорости света. При сильной вспышке часть активной области действует подобно ускорителю частиц или установке для расщепления атомного ядра. Эти релятивистские протоны достигают Земли почти в то же время, когда мы обнаруживаем вспышку с помощью наших телескопов. Они вторгаются в атмосферу и с большой силой сталкиваются с атомами. При этом возникают нейтронные ливни, которые обнаруживаются с помощью наземных инструментов. Мощная солнечная вспышка вызывает увеличение скорости счета нейтронов на уровне Земли в десять — двадцать раз. Эти нейтроны не причинят Вам вреда, но вот протонам, движущимся со скоростью света, не потребуется много времени для того, чтобы уничтожить Вac мучительной смертью. По этой причине за поведением Солнца обычно и ведется столь тщательное наблюдение, когда астронавтам необходимо выполнить какую-то работу непосредственно в космическом пространстве или на Луне, в то время как они защищены одними лишь скафандрами.

Солнце и его меняющееся излучение ответственны за некоторые из явлений, мешающих радиолюбителям. В качестве лишь одного примера приведем затухание на коротких радиоволнах. Это — внезапное прекращение приема радиопередач на коротких волнах. Оно происходит тогда, когда Солнце вызывает повышенную ионизацию в самом нижнем слое ионосферы, который и поглощает сигнал. На очень низких частотах отражающие свойства ионосферы значительно лучше, поэтому низкочастотные электромагнитные волны, генерируемые во время естественных гроз, легко преодолевают большие расстояния. Это приводит к значительному росту регистрируемого числа гроз, треск от которых в виде атмосфериков принимается радиоприемником.

Выше атмосферы и ионосферы чрезвычайно существенно влияние Солнца на ту неосязаемую магнитную оболочку — земную магнитосферу, которая как броня защищает нашу планету от непрерывной бомбардировки ее атомными частицами солнечного ветра. Магнитосфера является результатом взаимодействия собственного магнитного поля Земли с магнитным полем и электрическими токами, порождаемыми солнечным ветром.

Начнем с рассмотрения магнитного поля Земли. В настоящее время поле, регистрируемое на поверхности Земли, может быть легко смоделировано в предположении о том, что где-то более или менее в центре нашей планеты находится магнитный диполь (стержневой магнит в виде железного бруска). На самом деле внутри ее, конечно же, нет никакого постоянного железного магнита: поле, по-видимому, генерируется и поддерживается электрическими токами, текущими внутри жидкого ядра Земли, но на поверхности и вне ее оно подобно полю стержневого магнита. Магнитный диполь Земли наклонен к оси ее вращения примерно на 11° и отстоит от действительного центра Земли приблизительно на 500 километров. В результате северный магнитный полюс находится в Гренландии, а южный — в Антарктиде. В нынешние времена напряженность поля уменьшается довольно медленно с постоянной скоростью. Если так будет продолжаться и дальше, примерно через 2000 лет поле обратится в нуль. Из исследований реликтового магнитного поля, зафиксированного в горных породах, мы знаем, что напряженность и направление геомагнитного поля изменялись на протяжении всего геологического периода жизни Земли. Магнитное поле Солнца меняет свое направление на противоположное каждые 11 лет вследствие той перестройки, которую испытывает динамо. Внутри Земли свойства магнитного поля изменяются значительно медленнее и, по-видимому, не являются регулярными.

Магнитное поле, измеренное в любой точке на поверхности Земли, складывается из собственного поля Земли и магнитного поля, связанного с Солнцем и тем веществом, истекающем из Солнца, которое при своем движении наталкивается на Землю или обтекает ее. Так как неистовое Солнце может меняться в течение минут, напряженность или направление измеряемого магнитного поля не являются строго постоянными.

Очень заметно меняется горизонтальная компонента поля, когда происходит сильное уменьшение его напряженности. Эти внезапные резкие спады напряженности поля, более известные под красочным названием «геомагнитных бурь», могут продолжаться несколько дней. В течение всего этого времени чувствительный магнитный компас ведет себя настолько неустойчиво, что его показания могут казаться ошибочными. Сейчас мы уже знаем, что эти бури не вызваны какими-то внезапными изменениями внутри нашей собственной планеты. Напротив, виновником является Солнце, так как флуктуации поля (и стрелки компаса) обусловлены приходом к Земле высокоскоростных потоков солнечной плазмы, выброшенных во время большой солнечной бури. Активные области могут существовать на Солнце в течение более чем одного солнечного оборота. В этом случае связанная с ними геомагнитная буря также может повториться снова через двадцать семь суток, составляющих полный оборот Солнца вокруг своей оси относительно Земли. Большие геомагнитные бури связаны также и с возмущениями в ионосфере, которые вызывают временное прекращение приема радио- и телевизионных передач, так как и бури, и возмущения в ионосфере определяются по существу одними и теми же солнечными явлениями.

Поскольку солнечный ветер постоянно обтекает нашу планету, он создает полость, заключающую внутри себя геомагнитное поле, которое в противном случае простиралось бы далеко в космическое пространство. По сравнению с самой Землей магнитосфера велика. Со стороны, обращенной к Солнцу, ее граница отстоит от Земли примерно на десять земных радиусов. Существует внешний пограничный слой, называемый магнитопаузой, толщиной примерно 100— 200 км. С ночной стороны нашей планеты магнитосфера очень сильно вытянута — на 1000 земных радиусов — подобно хвосту кометы. Фактически она незаметно сливается с межпланетным магнитным полем. На этой стадии наших рассуждений, возможно, будет полезным представить себе магнитосферу в виде окружающего Землю магнитного скелета. Сразу же за границей магнитосферы существует еще другая, особая область взаимодействия, называемая магнитослоем — тело поверх скелета. Магнитослой — это область пространства, где частицы солнечного ветра обтекают магнитосферу. В саму магнитосферу частицы почти не проникают. На переднем крае магнитослоя, обращенного к Солнцу, существует стоячая ударная волна. Она напоминает ударную волну, или тот звуковой удар, который сопровождает сверхзвуковой самолет. Обычно, когда обладающая магнитным полем планета находится внутри потока солнечного ветра, ударный фронт возникает из-за того, что ветер обтекает планету со скоростью, большей скорости звука в ветре. Это в точности та же физическая ситуация, что и в случае ударной волны, возникающей, когда самолет движется быстрее скорости звука в воздухе. Одной из особенностей этой магнитной ударной волны вблизи Земли является то, что она того типа, который очень трудно создать в лаборатории: бесстолкновительная гидромагнитная ударная волна.

Запущенные в дальний космос ракеты «Пионер-10 и -11» и космический корабль «Вояджер» проходили мимо Юпитера. Эта планета обладает значительно более протяженной, чем у Земли, магнитосферой. Полеты позволили получить независимую информацию о природе планетных магнитосфер. У Сатурна также есть магнитное поле, простирающееся далеко в космическое пространство.

Ту часть магнитосферы, которая обращена в направлении от Солнца, называют по-разному: «геомагнитный хвост», «магнитосферный хвост» или более просто «хвост магнитосферы». Хвост этот, скорее, напоминает две прижатые друг к другу трубки. В верхней трубке магнитное поле направлено к Солнцу, в нижней — от Солнца. Там, где две трубки соприкасаются, находится нейтральная область, так как противоположно направленные поля в большей или меньшей степени взаимоуничтожают друг друга.

Конечно, магнитосфера не является совершенно непроницаемым барьером — частицы отклоняются от своего пути вблизи Земли (мы уже упоминали о тех эффектах, которые они вызывают в ионосфере). Движение заряженных электрических частиц в дипольном магнитном поле Земли таково, что частицы с соответствующей энергией могут захватываться этим полем и почти бесконечно двигаться вокруг Земли в радиационных поясах. Внутренний радиационный пояс был открыт и его форма была выведена Дж.А.Ван Алленом в 1958 г. С помощью простых детекторов заряженных частиц на борту первого американского искусственного спутника «Эксплорер-1» не удалось зарегистрировать частицы выше 1000 км. Позднее лабораторные испытания и дальнейшие спутниковые наблюдения показали, что нулевой отсчет в действительности был всего лишь результатом того, что детекторы были полностью зашкалены в радиационных поясах. Внутренний пояс заполнен главным образом протонами, в то время как более протяженный внешний пояс содержит также и электроны.

Захват частиц радиационными поясами происходит вследствие того, что электромагнитные силы вынуждают заряженные частицы двигаться по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Вблизи полюсов магнитного поля силовые линии сходятся вместе, образуя воронку, и на движущиеся по спирали частицы начинает действовать сила бокового сжатия. В результате образуется магнитное зеркало: частицы носятся взад и вперед от полюса к полюсу, проходя весь путь от одного полюса до другого самое большее за несколько секунд. Для того чтобы более ясно понять природу этих поясов, в 1958 и 1962 годах были выполнены эксперименты, которые в настоящее время кажутся безответственными. В космическом пространстве были взорваны ядерные бомбы с целью создать искусственные пояса заряженных частиц. В конце концов такая самодеятельность во внешнем космическом пространстве была прекращена международным соглашением. Взрыв, произведенный в рамках проекта «Старфиш» в 1962 г., создал радиационный пояс, который существовал в течение нескольких лет. Безрассудство этих упражнений стало особенно убедительным тогда, когда поняли, что в результате последствий этого взрыва несколько дорогостоящих спутников по существу были выведены из строя из-за повреждения панелей солнечных батарей.

Рис. Магнитное поле и радиационные пояса земли.

Другой аспект физической связи между Солнцем и Землей проявляется в виде мерцающего света полярных сияний. Связь явления полярных сияний с магнитной активностью на Земле в действительности была установлена еще в XVIII веке. Теперь мы уверены в том, что активное Солнце ответственно за оба этих явления и что недостаток солнечных пятен во время минимума Маундера сопровождался отсутствием наблюдаемых проявлений полярных сияний с 1645 по 1715 год.

Рис. Полярное сияние — прекрасное напоминание о постоянном взаимодействии между Землей и Солнцем.

Большая часть света полярных сияний излучается атомами водорода и молекулами азота, которые возбуждаются за счет столкновений с низкоэнергичными электронами. Возмущения магнитного поля в хвосте магнитосферы вытряхивают электроны из хвоста в направлении Земли, где они и высыпаются на высоких широтах в области магнитных полюсов. На самом деле электроны при своем движении концентрируются в тонких слоях, что придает многим сияниям характерный вид свисающих штор. В действительности же реальные формы полярных сияний классифицировать трудно, хотя ученые и называют их по-разному — дуги, ленты, лучи и вуаль. Размеры могут меняться в очень широких пределах. Обычно они наблюдаются на высотах 100—150 км и по горизонтали могут иметь размеры от десятков метров (лучи полярного сияния) до тысяч километров (дуги или полосы).

Зоны полярных сияний, в которых наблюдателями на Земле отмечена наибольшая активность, находятся на широтах 67° к северу и югу от экватора и имеют ширину около 6°. Действительные размеры овальной области вокруг магнитного полюса, в которой происходят сияния, меняются. Ночью она обычно удалена от полюса на 22° или около того; это противоречит общепринятой, но неправильной точке зрения о том, что полярные сияния происходят над геомагнитным полюсом. Они образуют широкий овал, окружающий полюс.

Вследствие той связи, которая существует между полярными сияниями, свойствами магнитосферы и солнечной активностью, проявления полярных сияний зависят от солнечного цикла, 27-суточного среднего периода вращения Солнца вокруг своей оси, времени года и общего уровня магнитной активности. Обобщая вышесказанное, можно сказать, что наиболее эффективные полярные сияния наблюдаются вблизи максимума солнечной активности. Однажды во время полета из Лос-Анджелеса в Лондон по полярному маршруту, пересекавшему Южную Гренландию, я видел на 67° с.ш. удивительное полярное сияние в виде зеленых занавесей, мерцавших в лунном свете.

Цвет полярных сияний обычно красный или зеленый. Красный цвет излучается атомами кислорода, зеленый — молекулами азота. Излучение заметно также в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

Солнце, таким образом, оказывает заметное воздействие на магнитную оболочку Земли. А как обстоит дело с окутывающей Землю атмосферой? Несомненно, Солнце должно действовать и на нее тоже. В последние годы поразительно вырос интерес к изменениям климата на Земле, причинам климатических изменений и прогнозу будущих тенденций изменения климата. Хотя в общем-то является общепринятым то, что астрономические факторы могут оказывать заметное влияние на климат, нет какого-либо определенного доказательства того, что какое-нибудь отдельное климатическое «событие» в прошлом, такое, например, как эпоха оледенения, может быть приписано астрономическим факторам. Одна из трудностей связана с тем, что хорошие данные о явлениях на Солнце у нас имеются всего лишь за последние три столетия, а тщательные измерения светимости Солнца охватывают менее одного столетия. Эти периоды времени слишком малы по сравнению с характерным временем климатических изменений на Земле, которое, по-видимому, характеризуется более длительными (несколько столетий) промежутками. Следовательно, для того, чтобы охватить данными достаточно продолжительный период, мы должны опираться на информацию о климате и об астрономических явлениях, полученную еще в те времена, когда инструментов для наблюдений не существовало. Мне, как астроному и неклиматологу, казалось, что получить достаточно надежную информацию о характеристиках как климата, так и Солнца за прошедший период трудно, хотя я никоим образом не хочу этим сказать, будто достижения в наших знаниях о Солнце и климате не были впечатляющими. Нет никакого сомнения в том, что климат менялся и продолжает меняться. Геологи отождествили несколько ледниковых периодов за последние 3 миллиона лет, в течение которых толстый слой льда покрывал значительную часть континентов. По геологической шкале времени лед отступил лишь недавно. Но причина ледниковых периодов все еще представляет собой предмет значительных разногласий, и мы не знаем, имеет ли отношение к этой проблеме влияние космоса или Солнца.

Так как это книга по астрономии, то прежде чем искать связь между Солнцем и климатом, я приведу свидетельства изменений Солнца. С некоторыми из этих свидетельств мы уже встречались в более ранних главах при рассмотрении солнечного цикла. Свидетельства отсутствия солнечной активности в XVII веке в период Маундеровского минимума очень убедительны и основаны на исторических записях. В 1960-х годах появился новый метод исследования солнечных вариаций в прошлом вплоть до нескольких тысяч лет назад. В его основе лежит метод измерения количества радиоактивного углерода в старых деревьях.

Радиоактивный углерод, или углерод-14, образуется в верхней части атмосферы Земли, там, где в атмосферу вторгаются пришедшие из дальнего космоса высокоэнергичные заряженные частицы. Когда Солнце активно и на нем много пятен, оно имеет протяженное магнитное поле. Это поле защищает внутреннюю Солнечную систему от высокоэнергичных космических лучей. Когда же Солнце спокойно, его магнитное поле обеспечивает худшую защиту. Тогда на планету попадает больше высокоэнергичных частиц и в верхней части атмосферы образуется больше углерода-14. Этот изотоп углерода имеет период полураспада 5730 лет, так что, если он где-либо был изолирован и накоплен (например, в древесине), можно определить, сколько углерода-14 было там вначале, при условии что он был захвачен не более нескольких тысяч лет назад.

Углерод-14 накапливается в деревьях. Рост растений определяется тем, что они поглощают из атмосферы двуокись углерода и под воздействием солнечного света образуют клетчатку (в состав молекул которой входят многочисленные атомы углерода) в виде вновь нарастающей древесины. Эта клетчатка откладывается каждый год внутри дерева в виде колец, содержащих небольшое количество углерода-14, поглощенного вместе с обычным углеродом.

Деревья-долгожители, такие, например, как известные секвойи, могут таким образом вести солнечную летопись в течение нескольких тысяч лет.

У этого метода существуют и ограничения. В конечном счете запись постепенно стирается за счет естественного распада углерода-14, так что на практике по кольцам деревьев можно собрать данные лишь за последние 7500 лет. Более серьезной проблемой является то, что углерод-14 образуется в верхней части атмосферы, в то время как деревья растут внизу. Поэтому циркуляция радиоуглерода очень сложна. В частности, поглощение и растворение радиоуглерода в океанах сглаживают изменения содержания радиоуглерода за периоды меньше двадцати лет. В результате этого нет никаких четких признаков того, что по данным о радиоуглероде можно проследить солнечный одиннадцатилетний цикл. Большим триумфом метода, однако, было то, что измерения радиоуглерода отчетливо выявили минимум Маундера, так же как и ранее подозревавшийся период отсутствия активности в 1450—1540 годах н.э. и период заметной активности в XX веке. Основные изменения, продолжающиеся в течение нескольких солнечных циклов, в том числе и в течение тех периодов, когда исторические записи неопределенны, по-видимому, будут зафиксированы радиоактивной летописью в деревьях, поэтому попытка прочитать эту летопись за период, предшествующий тому времени, когда существуют и свидетельства в виде исторических записей, возможно, имеет смысл.

Одной из особенностей, сразу же выявляющейся при исследовании 7500-летнего периода, является эффект медленно меняющегося магнитного поля Земли, поведение которого за последние годы известно нам из исследований намагниченных горных пород. Когда плавное изменение, обусловленное этим, учтено, данные об углероде выявляют ряд других поразительных событий. Эти события могут ввести нас в заблуждение или оказаться ложными вследствие несовершенства данных, но могут быть и регистрацией изменений солнечной активности. С некоторой осторожностью будем предполагать, что они действительно обусловлены изменяющимся Солнцем.

Джон Эдди отождествил 18 случаев в прошлом, когда Солнце было или спокойнее, или более активно, чем обычно, и построил график, на котором показал изменения Солнца вплоть до 5500 года до н.э. Наиболее заметная особенность этой кривой связана с тем, что в последнем столетии наблюдается подъем на гребень новой волны солнечной активности. По сравнению со значительно более длительным периодом в тысячи лет сегодняшний уровень солнечной активности, судя по числу солнечных пятен, протяженности короны, полярных сияний и вспышек, может быть необычно интенсивным. К тому же и в данных содержится смутный (не более!) намек на то, что существует цикл солнечной активности с периодом около 2500 лет.

Теперь зададим себе вопрос, связаны ли изменения солнечной активности, зафиксированные кольцами деревьев, с изменениями нашего климата? Если взять исторические данные, то обращает на себя внимание тот факт, что последние два минимума солнечной активности, имевшие место в XV и XVII столетиях, совпадают с периодами продолжительной чрезвычайно холодной погоды. Этот длительный период ужасной погоды часто называют Малым ледниковым периодом. Несомненно, этот период был исключительно холодным, согласно записям по меньшей мере за прошедшие 3000 лет и совпадал с удивительно спокойным Солнцем. В XVII веке Балтийское море зимой полностью замерзало. В течение многих лет европейские реки покрывались толстым льдом, и на льду Темзы в Лондоне устраивались празднества. Рост населения прекратился, как только холодные объятия зимы нанесли непоправимый урон сельскому хозяйству. Во время Малого ледникового периода среднегодовая температура в Англии (стране, для которой существуют наилучшие данные о температуре) была примерно на 1 градус Цельсия холоднее нормальной. Отметим, что удивительно малое изменение оказывает очень сильное воздействие, если оно продолжается непрерывно в течение десятилетий или столетий. В продолжение XV и XVII веков во всем северном полушарии Земли температура неизменно была ниже нормальной на 0,5—1 градус Цельсия.

Обратившись к периоду, более чем на несколько сотен лет предшествовавшему нашему, климатологи просмотрели записи о недавних флуктуациях протяженности ледников как в Европейских Альпах, так и во всем мире. При сопоставлении информации о продвижении льда с регистрацией солнечной активности по радиоуглероду было отмечено их хорошее соответствие друг другу. Найдено, что в те периоды, когда солнечная активность замедляет продвижение льда и когда Солнце слегка сердится (как это происходит в настоящее время), ледники отступают назад на горные склоны. Записи о поведении ледников также указывают на возможный 2500-летний цикл в солнечной активности. Корреляция на первый взгляд поразительная, но требует для своего подтверждения дополнительных данных.

Рис. На этой диаграмме, построенной Джоном Эдди, показаны отклонения от среднего содержания радиоактивного углерода (кривая а). Кривая б отражает возможный механизм воздействия Солнца, порождающий изменения, отраженные кривой а. Кривая в состоит из четырех частей: G₁ покрывает наступления и отступления альпийских ледников; G₂ — то же самое явление, но для всего земного шара; кривая Т — средняя годовая температура в Англии (оценка по разным источникам); кривая W — степень суровости зим в Париже и Лондоне. (Заметьте, что на различных кривых отчетливо выявляются маундеровский минимум (2), минимум Шпёрера (3) и малый минимум в эпоху средневековья (5).) (Дж. Эдди.)

Столь осторожные исследователи, как Эдди, справедливо указали на то, что мы можем прийти к неправильному заключению. Если флуктуации климата каким-то образом регулируют количество находящегося повсюду в атмосфере углерода-14, корреляция какой-либо характеристики климата (как, например, протяженности ледников) с углеродом-14 обязательно будет наблюдаться независимо от того, какова причина этой корреляции. Именно поэтому столь и важны исторические свидетельства о Маундеровском минимуме, что мы не сомневаемся в том, что отсутствие пятен не зависит от холодного климата. Подобным же образом редкие данные из восточных источников оказывают дополнительную поддержку представлению о том, что солнечные изменения проявляются в данных об углероде и климатических флуктуациях.

Если мы примем тот факт, что климатические изменения на протяжении столетий и тысячелетий определяются Солнцем, проблемы интерпретации этих изменений все же останутся. Нам хотелось бы узнать, каким образом солнечная активность приводит к общему потеплению земного климата. Возможно, этот эффект передается посредством воздействия магнитного поля или же обусловлен возрастанием ультрафиолетового излучения от Солнца во время периодов солнечной активности. Самым простым механизмом из всех является изменение полного потока энергии с поверхности Солнца. Изменение полного потока примерно на 1 процент должно приводить к климатическим изменениям, подобным Малому ледниковому периоду. Изменение такого порядка не было бы замечено астрономами, если бы оно происходило постепенно, например в течение последней сотни лет. А падение температуры в центре Солнца позволило бы объяснить проблему нейтрино.

Таким образом, у нас есть свидетельства того, что в течение последних нескольких тысяч лет менялись и Солнце, и климат и что, по-видимому, между ними существует заметная связь. В течение уже длительного времени астрономы и метеорологи занимаются этой связью между 11-летним солнечным циклом и погодой.

Наше Солнце — наше будущее

Энергия непрерывно течет от горячего Солнца в холодную Вселенную с исключительно высокой интенсивностью. Энергия, испускаемая Солнцем, выражается в киловаттах числом 3,8×10²³ кВт; для сравнения заметим, что потребление энергии большинством домашних бытовых приборов составляет 0,3—3 кВт. Столь большие числа тяжелы для восприятия, пока они не переведены в более знакомые понятия. Участок солнечной поверхности размером с большую почтовую марку (5 кв. сантиметров) излучает около 30 кВт. Это значительно больше той энергии, что потребляется небольшим автомобилем. Еще один способ получить представление об излучаемой Солнцем энергии — совершенно справедливое утверждение о том, что за секунду Солнце испускает во Вселенную больше энергии, чем вся энергия, выработанная человеческой цивилизацией за время своего существования. Ясно, что Солнце — наиболее важный источник энергии для людей, если мы рассматриваем достаточно продолжительный период времени.

Настоящее состояние планеты Земля таково, что на ней господствующее положение заняли люди — существа, обладающие развитой технологией, под которой я имею в виду способность создавать машины, потребляющие энергию и материалы для того, чтобы повышать уровень жизни людей выше того уровня, который был бы преобладающим в «чистой» природе (т.е. в мире без машин). Хорошо известно, что средний жизненный уровень людей в различных частях мира зависит от количества энергии, доступной для данного общества. Здесь «доступный» означает «имеющий низкую стоимость по сравнению со стоимостью труда»; так, в сельской Индии, например, большинство различных видов энергии очень дороги, за исключением местного кизяка и дров; ни то, ни другое непригодно для двигателей машин. С другой стороны, в Канаде и США — самые высокие нормы потребления энергии на душу населения, и уровень жизни в этих странах достаточно высок, если мерить его чисто материальными показателями. Современный образ жизни очень сильно зависит от обильного снабжения дешевой энергией; это обеспечивает создание комфортных условий в жилищах, которые мы обогреваем или охлаждаем; они могут быть просторными, если недорога земля, транспорт также дешев и производимые товары относительно недороги. Любопытно, что хотя для производства товаров необходимы и энергия, и сырье, для экономики обычно важнее наличие дешевой энергии в данном месте, чем поставки сырья. Великобритания, например, имеет обильные и разнообразные источники энергоснабжения, но очень мало основных видов сырья.

В своей книге «Десять ликов Вселенной» астрофизик и писатель-фантаст Фред Хойл сделал ряд интересных наблюдений о потреблении энергии людьми. Мы, например, потребляем в пятнадцать раз больше энергии немускульного происхождения (обогрев, топливо, машины), чем получаем непосредственно с пищей. Наличие технологии означает, что в среднем по земному шару люди имеют в своем распоряжении в пятнадцать раз больше энергии, чем существа, запасы энергии которых целиком определяются поглощенной ими пищей. Фактически отношение количества потребляемой энергии немускульного происхождения к количеству энергии, получаемой с пищей, является грубой мерой уровня технологии и той степени, с которой эксплуатируются ресурсы планеты. В качестве другого примера приведем следующий: в античную эпоху основным источником энергии для имущих классов был труд рабов, и отношение энергии немускульного происхождения к энергии мускульного труда было, вероятно, меньше единицы; эта небольшая величина в значительной степени объясняет различие в образах жизни, характерных для цивилизаций Древней Греции и Рима и сегодняшнего индустриального общества. Цивилизация, которая смогла бы достичь того, что потребляемая ею энергия немускульного происхождения была бы, скажем, в тысячу раз больше энергии, определяемой потребляемой ею пищей, была бы или чрезвычайно расточительной, или в значительно большей степени развитой, чем наша собственная.

В настоящее время высокоиндустриальные страны Северной Америки, Европы и Австралии все больше беспокоятся по поводу регулярно повторяющихся энергетических кризисов. Это беспокойство связано с сокращающимися запасами нефти, растущей стоимостью энергии и, как следствие этого, неспособностью правительств сдержать инфляцию. С этим связано и чувство того, что ресурсы вообще истощаются и что мы вот-вот будем погребены под нашими собственными отбросами, задохнемся в загрязненной атмосфере или будем сожжены радиоактивными отходами. В значительной степени эти настроения обязаны своим происхождением политикам, журналистам и людям, отвечающим за рекламу и озабоченным лишь такими весьма краткосрочными проблемами, как выборы в следующем году, завтрашние газеты или очередное возрастание цен. С точки зрения космической перспективы, если рассматривать проблему во всемирном масштабе и на большем интервале времени, в конечном счете не существует никакой действительной нехватки энергии; отсутствуют и какие-либо существенные соображения, согласно которым повторное использование естественных материалов и изобретение искусственных не позволили бы обеспечить достаточное количество материальных благ. Под словами «в конечном счете», «действительная» и «существенные» я имею в виду то, что в конце-то концов ресурсов планеты вполне хватит для всех, если они будут использоваться человечеством мудро и справедливо, что до известной степени предполагает соответствующий учет всех наличных ресурсов на Земле и действительных нужд большей части населения. Конечно, ключом к этой идеальной ситуации является правильная оценка той роли, которую должны играть солнечная, ядерная и получаемая за счет использования горючих ископаемых энергия в мире, планируемом в соответствии с научными принципами и с учетом прав всего человечества. По моему личному мнению, сформировавшемуся под влиянием выводов Хойла, человечество при его теперешней социальной организации по существу устроило бесстыдную свалку с целью захватить все доступные в настоящее время источники энергии (если не принимать во внимание в газетах рассуждений о дне Страшного Суда и условий, в которых мир будет существовать через какие-нибудь пятьдесят лет). По-видимому, кое-кто из экономистов стремится обесценивать будущее на 10 процентов ежегодно: с каждым галлоном топлива, сжигаемым сегодня, обращаются так, как если бы он обходился раз в 200 дешевле того галлона топлива, который предстоит сжечь через пятьдесят лет. Вот почему нефтедобытчики и качают нефть из Земли с такой скоростью, с какой только могут!

Наше энергопотребляющее общество почти полностью обеспечивается энергией за счет топлива из ископаемых останков растений и животных: нефти, угля, газа, хотя ядерные и гидроэлектрические источники энергии приобретают, конечно, все большее значение. Топливо, добываемое из Земли, — это первоначально запасенная в организмах солнечная энергия, которая накапливалась на протяжении сотен миллионов лет. Для образования залежей угля и месторождений нефти потребовалось полмиллиарда лет. Как известно, большая часть этого наследства была сожжена за столетие.

В настоящее время ископаемое топливо все еще представляет собой обильный источник энергии, доступной по исключительно умеренной цене и не требующей для своего производства больших усилий, по крайней мере по сравнению с другими альтернативными или заменяющими источниками энергии. Поскольку правительства западных стран чрезвычайно заинтересованы в поддержании потребительских цен на низком уровне (правда, в случае энергии — искусственно низком), пока еще не существует каких-либо сильных побуждений для переключения на источники энергии, не основывающиеся на ископаемом топливе.

На сколько времени хватит разведанных запасов угля и нефти? Теперешние запасы могли бы дать около 10²³ джоулей (новейший 300-ваттный бытовой прибор, такой, например, как кухонный комбайн, потребляет 10⁶ джоулей в час), которых достаточно для того, чтобы обеспечить снабжение энергией при теперешних темпах ее потребления до 2500 г. Эта экстраполяция предполагает, что никакого роста в ежегодных темпах потребления энергии не происходит, что определенно не так в настоящее время.

Предположим теперь, что предприняты огромные усилия для того, чтобы сохранить топливо: посредством теплоизоляции домов, используя меньше автомобилей, за счет ликвидации отходов в промышленности и так далее. Даже при уменьшении темпов потребления наполовину запасов не может хватить далее чем до 3000 года. Следует помнить также, что некоторые типы месторождений (такие, например, как гудронированные пески, нефтеносные сланцы и бедные углем залежи) могут быть использованы только посредством затраты на стадии добычи значительной части содержащейся в месторождении энергии. Мы видим, что в течение будущего периода, сопоставимого с интервалом времени между Возрождением и теперешним днем, должна произойти существенная реорганизация энергоснабжения и спроса, так как в противном случае ископаемые виды топлива неминуемо будут исчерпаны.

Следовательно, мы приходим к выводу, что если общество с хорошо развитой технологией является желанной целью для всего человечества, совершенно необходимо получить доступ к другим источникам энергии значительно раньше того момента, когда будут выработаны запасы ископаемого топлива. Меры, принимаемые с целью экономии запасов топлива, не избавляют нас в конечном счете от необходимости радикальной замены источников энергоснабжения. Они представляют собой разумный способ выиграть время, даже если и позволят лишь отсрочить дату, при которой это станет неизбежным.

С переключением на источники ядерной энергии проблемы снабжения и резервов по существу станут тривиальными. Запасы тория и урана, используемые в качестве топлива в обычных ядерных реакторах, огромны, возможно в миллион раз больше запасов ископаемого топлива. К тому же имеются фантастические запасы тяжелого изотопа водорода — дейтерия — в океанах. Его достаточно для того, чтобы общество, интенсивно расходующее энергию, функционировало на протяжении многих миллионов лет. Существующая проблема здесь — это проблема технологии.

Солнце легко превращает водород в гелий, но на Земле это пока достигнуто лишь в экспериментах, довольно ограниченных по своим масштабам. Еще ни один эксперимент по синтезу водорода не дал энергии больше, чем та, которая была введена в установку. Удерживать дейтериевую плазму при очень высокой температуре в течение времени, достаточного для того, чтобы начался синтез, до сих пор не удается. Сосуд из любого материала для этого не годится. Много остроумных методов было предложено для удержания горячей плазмы магнитными полями. И хотя правительства многих стран тратят значительные средства на исследования плазмы, термоядерный реактор, который оправдал бы отпущенные на него средства, еще не построен. Тем не менее «Солнце в лаборатории» становится все ближе. Обнадеживающими оказались эксперименты, в которых при помощи мощных лазеров взрывали капельки обогащенной дейтерием воды. Время удержания плазмы все время растет. Возможно, экспериментального реактора, в котором осуществляется синтез ядер, осталось ждать не так уж долго.

Большинство людей испытывают подлинный страх перед ядерной войной. Однако репутация ядерных реакторов на протяжении всей их истории была хорошей. Наиболее серьезная до настоящего момента авария, которая произошла в 1979 году на атомной станции «Три Майл Айленд», была ликвидирована раньше, чем авария приобрела катастрофический характер. Реактор был разрушен за пятнадцать минут, и вся установка получила серьезные повреждения. Случайные аварии такого типа могут служить серьезным уроком для операторов, требуя от них постоянной бдительности и осторожности. В энергетических ядерных установках достигнута достаточно высокая степень безопасности, близкая к теоретически возможной. Аварии более вероятны скорее в результате последовательности человеческих ошибок, чем пороков конструкции. Это также должно учитываться и учитывается на стадии проектирования новых установок.

Я думаю, будет разумно составить предварительное суждение о ядерных установках на основе данных, накопленных к настоящему времени. Ядерная энергия является теперь существенным источником электроэнергии в Европе и США, хотя пока этот источник поставляет лишь небольшую долю всей потребляемой энергии. Ядерная энергетика обеспечивает эти страны энергией в течение ряда лет без каких-либо катастрофических взрывов, драматического, возросшего числа смертей среди операторов установок и без того, чтобы местное население подвергалось уровням облучения, которое заведомо вредно. В настоящее время работает уже достаточно атомных электростанций для того, чтобы какая-либо случайная внушающая страх история достигла газет и телевидения, как серьезная авария на «Три Майл Айленд», упоминавшаяся выше. Были и смертельные случаи облучения, но их было очень мало, и они происходили лишь с людьми, непосредственно работавшими на станциях. Аргументы против атомных электростанций необходимо выслушать и рассмотреть, но они, по-видимому, не могут сыграть роль неотразимого аргумента, если принять во внимание сильно ограниченную потенциальную энергию ископаемого топлива. Проблема ядерных отходов — это проблема, на которую промышленность не должна закрывать глаза. Технология, намного опередившая нашу собственную с точки зрения использования энергии, должна была бы иметь усовершенствованные, надежные методы обращения с радиоактивными кучами отходов. На современном уровне производства отходов нельзя не учитывать огромные возможности океанов по поглощению и рассеиванию опасных и ядовитых веществ, так как они в целом уже обладают значительно большей радиоактивностью, чем та, которую добавят отходы ядерных станций.

Мне кажется, что антиядерное «лобби» часто не учитывает ту дорогую цену в виде человеческих страданий и смерти, которую приходится платить за добычу обычных видов топлива: шахтеры, заваленные в шахтах, погибшие или преждевременно вышедшие на пенсию из-за легочных заболеваний; водолазы, погибшие во время аварий на нефтеочистительных заводах, взрывов танкеров с топливом на море и на дорогах. По всему миру погребальный колокол должен звонить о тысячах погибающих ежегодно. Добавим к этому загрязнение атмосферы и смерти, которые это загрязнение должно вызывать, особенно среди тех людей, жизнь которых уже находится под угрозой из-за заболеваний дыхательных путей. Репутация ископаемого топлива оказывается не такой уж чистой, не так ли?

В споре об атомных электростанциях теоретически наихудший случай аварии на станции приравнивается без учета факторов риска к авариям, связанным с добычей ископаемых видов топлива, которые общество вежливо признает. Риск очень мал (но все еще не равен нулю) для аварий на атомных электростанциях и велик для рабочих, занятых добычей и очисткой горючих ископаемых. Вопрос в действительности сводится к следующему: хотим ли мы, чтобы наше технологическое общество продолжало существовать — в этом случае программы строительства атомных электростанций должны быть ускорены, а людям придется смириться с риском,— или же общество должно перейти к такому образу жизни, при котором потребляется энергии значительно меньше, — со значительным уменьшением материальных благ и ухудшением медицинского обслуживания, следовательно, и с более низким уровнем жизни и выживаемости? Думается, что большинство людей, припертые к стенке, скорее предпочтут смириться с ядерной станцией, чем жить в эксцентричной деревенской бедности.

Несомненно, к любой ядерной программе желательно приступать очень осторожно; к счастью, существует способ отсрочить тяжелые решения и, возможно, справиться с проблемой при минимальной зависимости от ядерной энергии. Время может быть выиграно за счет значительно более разумного использования энергии, текущей бесплатно от Солнца. Когда Солнце находится прямо над головой, каждый квадратный метр поверхности Земли получает более киловатта энергии. Это количество оказывается несколько меньшим для реального случая, когда Солнце освещает поверхность Земли под углом, но тем не менее оно порядка 1 кВт на 1 кв. метр. Площадь крыши даже небольшого дома в течение одного солнечного дня получает около 1000 кВт-час солнечной энергии. Для моего собственного дома три солнечных дня в течение летних месяцев дадут больше энергии, чем необходимо для покрытия всего нашего годового расхода электроэнергии на освещение и бытовые надобности. В течение следующих десяти дней солнечного неба крыша поглотит столько же энергии, сколько водонагреватель потребляет за весь зимний отопительный сезон. Итак, мы видим, что возможная роль солнечной энергии в качестве заменителя кое-каких из существующих источников очень важна уже сейчас.

Необходимо различать два способа использования солнечной энергии. Во-первых, это схемы, в которых используется нагрев Солнцем; во-вторых, генерация электричества непосредственно за счет солнечного света. Основные принципы солнечного нагрева достаточно просты: поглотить и сохранить тепло Солнца, когда Солнце светит, а затем использовать его для нагрева. Существует много способов реализации этого принципа. Чтобы изложить их все, потребовалось бы написать еще одну книгу, так что я просто упомяну некоторые из них.

В самом доме расход энергии на нагрев используемой в домашнем хозяйстве горячей воды может быть уменьшен, если вода, поступающая в основной резервуар, предварительно нагрета, так что газ или электричество потребуются лишь для дополнительного нагрева. Удобный путь для предварительного нагрева — непрерывная принудительная циркуляция воды через помещенную на крыше черную панель радиатора, откуда вода затем поступает в накопительный расширитель в верхней части отопительной системы. В Англии простая система, вроде этой, обеспечит вас летом почти бесплатно достаточным количеством горячей воды. Конечно, для того чтобы предотвратить перегрев всей системы в особенно жаркий день, необходимы электронные контрольные устройства. В течение остальной части года, за исключением, возможно, середины зимы, будет генерироваться некоторое количество полезного тепла.

В настоящее время нагревать весь дом одним лишь Солнцем очень дорого, поскольку дома, использующие солнечную энергию, пока еще являются экспериментальными. Дорогие экспериментальные схемы не выдерживают пока конкуренции с более дешевой энергией. Эта ситуация будет постепенно меняться, когда стоимость ископаемых видов топлива будет расти. Обнадеживающим признаком в Европе и Северной Америке является гораздо большее понимание архитекторами, проектировщиками и теми, кто эксплуатирует здания, выгоды толстой тепловой изоляции и тщательного выбора местоположения окон, чтобы они не мешали проникать в здание солнечным лучам зимой. Дом, в котором основные жилые комнаты смотрят на юг, будет дешевле обогревать зимой, чем тот, окна которых смотрят на север. В жарком климате, скажем на юге США или на севере Австралии, справедливы противоположные соображения: окна необходимо помещать на северную сторону в США и южную сторону в Австралии, чтобы уменьшить стоимость охлаждения летом. Во многих странах уже построены экспериментальные дома для оценки того, чего можно достичь на практике. В данный момент такой дом, вероятно, стоит в два или три раза дороже обычного дома. Если разница в стоимости снизится до 10 или 20% сверх обычной стоимости, то такие дома будут хорошей покупкой. Большие возможности заложены и в более разумном понимании воздействия Солнца на здания. Например, окрашенные стекла теперь являются стандартными в больших конторских зданиях отчасти потому, что они уменьшают стоимость охлаждения в солнечную погоду. Солнечный нагрев применяют также и при организации досуга. Плавательные бассейны на открытом воздухе можно покрывать касающейся воды полимерной пленкой, что уменьшает испарение, основную причину охлаждения, и, следовательно, повышает температуру бассейна.

До сих пор я рассматривал некоторые возможности использования солнечной энергии в домашнем хозяйстве. Большое значение будет иметь получение электричества из солнечной энергии в пустынях, где постоянная солнечная погода является нормой. Если удастся добиться, чтобы процесс получения электроэнергии был достаточно дешев, это упростит решение основной проблемы, связанной с использованием солнечной энергии: вам не нужно много энергии в пустынях, где живет мало людей; в то же время большое количество энергии необходимо в больших городах, расположенных в облачных умеренных зонах (Нью-Йорк, Лондон, Москва); эта энергия легче всего может быть получена в виде электроэнергии, генерированной в пустынях. Например, полную потребность в энергии США можно удовлетворить с помощью собирающих солнечное излучение зеркал — коллекторов, покрывающих одну десятую часть штата Аризона и имеющих коэффициент полезного действия, равный лишь 10 процентам. В Нью-Мексико большая экспериментальная установка уже генерирует энергию, концентрируя солнечные лучи на специальный котел. Пар высокого давления, образующийся в этом котле, может быть использован для приведения в действие генератора точно таким же способом, как и на электростанциях, работающих на обычном ископаемом топливе.

В Альбукерке (Нью-Мексико) в лаборатории фирмы «Сандиа» построена экспериментальная установка для испытаний устройств, предназначенных для получения электричества из солнечной энергии. Коллектор собирает на приемник 5 мегаватт солнечной тепловой энергии. Вещество, переносящее энергию (скажем, вода), циркулирует в приемнике, где при температуре, равной почти 1000 °С, превращается в пар высокого давления, который может быть использован для приведения в действие генератора паровой турбины. В Барстоу (Калифорния) должна быть построена установка, дающая 10 мегаватт. Возможно, это лишь первая из нескольких таких установок.

Никакое зеркало-коллектор на Земле не сможет поставлять солнечную энергию ночью. Чтобы обойти эту трудность, существуют честолюбивые проекты, предлагающие построить огромные солнечные зеркала-коллекторы, которые двигались бы в космическом пространстве по орбите вокруг Земли. Они, вероятно, должны передавать энергию на Землю в виде микроволн. Наземные станции будут настраиваться на это мощное электромагнитное излучение и превращать его в обычный ток. Предварительные исследования показывают, что такие электростанции на орбите Земли не столь уж недопустимо дороги по сравнению со стоимостью той энергии, которую они дадут. Конструкция должна включать в себя технику, уже испытанную в космосе во время экспериментов значительно меньшего масштаба.

Что касается солнечных энергетических станций в космосе, следует упомянуть, что они в принципе могут стать обильным источником энергоснабжения. Но чтобы этого достичь, требуются огромные капиталовложения и использование передовой технологии. Это иллюстрирует то общее положение, согласно которому прогрессивная технология обеспечивает лучшее снабжение энергией, так как при этом изобретается и применяется новая техника. Нет никакой нехватки энергии как таковой, есть лишь нехватка определенных видов энергии. В более длительной перспективе было бы безрассудством, если бы легкодоступные ископаемые виды топлива иссякли до такой степени, что технология, необходимая для строительства ядерных электростанций или космических станций, просто не могла бы быть обеспечена страдающей от недостатка энергии экономикой. Результатом такой глупости была бы катастрофическая и необратимая гибель человечества. По этой причине источники энергии, нуждающиеся в прогрессивной технологии, должны быть введены в действие или широко распространены как можно скорее, прежде чем будет слишком поздно.

Мы все более осознаем теперь, насколько наше сегодняшнее сложное общество зависит от источников энергоснабжения. Мы также знаем, что эти запасы энергии не бесконечны и что в ближайшем будущем они могут стать предметом политического вмешательства. В течение интервала времени значительно более короткого, чем период зарегистрированной истории человечества, должны произойти существенные изменения. Человек должен или научиться обходиться без энергии, и таким образом вернуться к полуживотному состоянию, или научиться покорять два фактически неограниченных источника энергоснабжения: внутриядерную энергию и энергию дневной звезды — нашего Солнца.