Солнце — центральная звезда Солнечной системы, ее самый массивный объект, источник почти неисчерпаемой энергии, и в целом довольно средняя звезда относительно прочих светил. Это основы того, что мы знаем про него сейчас. Но путь к этим знаниям начинался с верований в его магическую природу. Совсем не удивительно, что оно было центральным (или приближенным к таковому) божеством практически у всех народов мира. Однако такие верования не помешали им следить за нашим светилом. Первые наблюдения касались движения Солнца по небу и его затмений.
Солнечные пятна
Настоящие астрофизические исследования природы Солнца начались только с 1610 года, когда Галилео Галилей создал свой телескоп и взглянул сквозь него на небесные тела. Он заметил темные области на солнечной поверхности, которые мы называем пятнами. Есть свидетельства, что за этими пятнами следили еще древние вавилоняне и китайцы. Но в то время все исследования осуществлялись невооруженным глазом и не были регулярными. Изобретение телескопа изменило положение дел, поэтому началом эры наблюдений Солнца считают первую половину XVII века. Астрономы заметили, что пятна движутся. Вначале их считали планетами внутри орбиты Меркурия, но Галилей доказал, что это образования на поверхности светила, то есть оно также вращается вокруг собственной оси.
В конце XIX века Эдвард и Энни Маундер опубликовали работу со ссылкой на Густава Шперера, посвященную обзору количества солнечных пятен, и обратили внимание, что во второй половине XVII века их практически не было. Причиной этого оказалась не нехватка наблюдений, а реальное отсутствие пятен на Солнце. В то же время ученые отметили, что число полярных сияний также уменьшилось, и во время затмений солнечная корона выглядела тусклой. Это натолкнуло их на предположение о влиянии нашего светила на Землю, проявляющемся в частоте полярных сияний в зависимости от количества пятен. Упомянутый период времени назвали «минимумом Маундера». Существуют попытки связать его с климатическими изменениями на Земле. На протяжении XVII века наблюдалось снижение температуры, названное Малым ледниковым периодом. Хотя два вышеперечисленных события пересекались во времени, но Малый ледниковый период начался задолго до исчезновения солнечных пятен, поэтому связь между их количеством и изменениями климата довольно сомнительна.
В 1666 году Исаак Ньютон, пропустив солнечный луч сквозь стеклянную призму, разложил его в спектр и продемонстрировал, что белый свет состоит из разных цветов. Благодаря этому он заложил новое направление в наблюдениях Солнца — спектроскопию. Это направление начало приносить плоды в начале XIX века. В 1800-м сэр Уильям Гершель испытывал новые светофильтры, которые должны были пропускать красный свет для наблюдений за солнечными пятнами. Но он обнаружил странное явление: за фильтром чувствовалось тепло. Пропустив свет сквозь призму и положив термометры на разных цветах, а один — сбоку от «красной» зоны (где глаз уже не видел никаких цветов), он был поражен результатом: термометр «вне цвета» показывал высокую температуру. Ученый пришел к выводу, что, кроме видимого света, есть еще и невидимая часть спектра.
В следующем году Иоганн Вильгельм Риттер обнаружил, что возле противоположного — фиолетового — конца спектра также присутствует невидимое излучение, которое можно зарегистрировать благодаря его воздействию на соединения серебра. Эти невидимые части солнечного света назвали тепловыми и химическими лучами. Теперь они известны нам как инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.
В 1802 году Уильям Волластон разложил солнечный свет в спектр и заметил в нем темные линии. Он предположил, что причиной их возникновения является несовершенство призмы, и не придал им особого значения. Аж в 1814-м Йозеф Фраунгофер наблюдал темные линии в спектрах Солнца и других звезд, причем часть из них совпадала, а часть у разных объектов находилась в различных положениях. Сначала он предположил, что эти линии возникают в земной атмосфере, но в таком случае все они должны быть на одном месте. Следовательно, их природа была связана с процессами на звездах. Уже в 1859 году Густав Кирхгоф установил связь между спектроскопическими линями и химическими элементами. Благодаря этому астрономы начали открывать новые элементы: вначале — на Солнце, позже — на Земле. Первым из них стал гелий, найденный в 1868 году в солнечной короне Пьером Жансеном и Норманом Локьером. Последний, кстати, основал журнал Nature. Годом позже в спектре Солнца обнаружили яркую линию неизвестного элемента и назвали его коронием.
Но вернемся к пятнам. В 1843 году Гейнрих Швабе публикует работу, в которой отмечает периодичность изменения количества пятен на Солнце. Вычисленный им период составил 10 лет (на самом деле продолжительность циклов солнечной активности варьируется в пределах от 7,5 до 11 лет). Работой Швабе заинтересовался директор Бернской обсерватории Рудольф Вольф. Он начал собирать данные прошлых наблюдений, следить за пятнами на Солнце и придумал критерий их оценки, который позже назвали числами Вольфа. В 1852-м он вместе с Эдвардом Себайном, а также Жан-Альфред Готье и Иоганн фон Ламонт независимо друг от друга обнаружили связь между солнечными пятнами и магнитным полем Земли. В 1848 году Джозеф Генри определил, что температура в пятнах ниже, чем на солнечной поверхности вокруг них.
Магнитные бури
1 сентября 1859 года британские любители астрономии Ричард Кэррингтон и Роджер Ходжсон имели возможность наблюдать странное явление. Между большими пятнами на Солнце возникла яркая вспышка, исчезнувшая аж через 5 минут. В тот же вечер обсерватория Кью зарегистрировала сильные изменения в магнитном поле Земли. После этого по всей планете начали возникать мощные полярные сияния, а всемирная телеграфная сеть работала со сбоями. Большинство телеграфных станций сгорело. Некоторых телеграфистов засыпало искрами, другие спокойно слушали сигнал… при отсоединенном от питания аппарате. Все это было следствием огромного коронального выброса вещества из Солнца, которое и наблюдали джентльмены Кэррингтон и Ходжсон. Цепочку этих явлений назвали Кэррингтонским событием. Следует отметить, что в 2013 году эксперты страховой компании Lloyd’s оценили ущерб от этого инцидента только для США от 0,6 до 2,6 трлн долларов. Не исключено, что такие явления возникали на Земле и раньше, но Кэррингтонское событие стало первым задокументированным.
В 2012 году на Солнце произошел корональный выброс вещества, который мог повлечь за собой магнитную бурю, близкую по силе к Кэррингтонской, однако он обошел нашу планету. Довольно мощная магнитная буря в марте 1989-го стала причиной сбоя в электроснабжении канадской провинции Квебек.
Магнитная буря — это лишь возмущение в магнитном поле нашей планеты. Оно может быть вызвано сильным потоком заряженных частиц от Солнца (корональный выброс) или изменениями в солнечном магнитном поле. Это явление более опасно для объектов в космосе, чем на Земле. Самыми уязвимыми являются искусственные спутники. Мощные вспышки или выбросы вещества на Солнце могут испортить электронику. Менее заметно влияние на орбитальное движение космических аппаратов, однако его также не стоит игнорировать.
«Намагниченность» солнечных пятен была доказана Джорджем Хейлом в 1908 году с помощью эффекта Зеемана: в магнитном поле спектральные линии расщепляются. Также он обнаружил, что после одного 11-летнего цикла полярность пятен в северном и южном полушариях светила сменяется противоположной. После этого последовали попытки найти магнитное поле на Солнце, однако безуспешные: над его «обычной» поверхностью оно гораздо слабее, чем над пятнами. Лишь в 50-х годах прошлого столетия это удалось сделать Хорейсу и Гарольду Бэбкокам на новой аппаратуре. А в 1961 году они публикуют пояснение механизма образования пятен и изменения полярности магнитного поля Солнца. Согласно ему, в начале солнечного цикла магнитные линии ориентированы параллельно меридианам (полоидальная составляющая). Благодаря дифференциальному вращению нашего светила плазма вместе с магнитными линиями закручивается, они становятся параллельными экватору (растет тороидальная составляющая). При увеличении напряжения линий магнитного поля часть из них начинает выходить на поверхность фотосферы. В местах их выхода и входа образуются солнечные пятна. Со временем линии выкручиваются и перезамыкаются таким образом, что их ориентация снова становится меридиональной, но с противоположной полярностью к предыдущему циклу.
Солнечная корона
Солнечная корона заинтересовала ученых, когда они поняли, что это часть Солнца, а не Луны. Ее исследования начались со второй половины XIX века. Сначала проводили только спектроскопические наблюдения и только во время затмений.
С 1931 года исследования короны становятся повседневными благодаря созданию Бернаром Лио нового типа телескопа — коронографа, способного имитировать затемнение с помощью небольшой «искусственной Луны» в фокальной плоскости. Бенгт Эдлен вместе с Вальтером Гротрианом в 1939 году обнаружили, что короний — это не неизвестный элемент, а высокоионизированный атом железа, который имеет только 13 электронов. Отсюда следует, что в солнечной короне очень высокая температура, поскольку только в таких условиях атомы могут быть столь сильно ионизированы. По приблизительным оценкам, эта температура достигает миллиона кельвинов. Температура фотосферы — поверхности Солнца — составляет лишь 5780 K (около 6050°C).
С учетом того, что солнечная корона — довольно протяженный объект, достигающий даже орбиты Земли, возникает вопрос: как мы до сих пор не поджарились? Ответить на него поможет аналогия с кипящей водой. Ее температура при нормальных атмосферных условиях составляет 100°C, а температура водяного пара всегда выше, чем сотня градусов (иначе пар сконденсируется в воду). Мы можем держать руку над кипящей водой определенный промежуток времени, тогда как в кипятке — нет, хотя пар горячее. А дело здесь в массе вещества, взаимодействующего с рукой. Объемная концентрация молекул воды в кипятке в тысячи раз больше концентрации водяного пара в воздухе. Поэтому теплообмен между рукой и горячей водой происходит гораздо быстрее, чем между рукой и паром.
То же и в космосе: концентрация частиц в короне в районе земной орбиты очень низка по сравнению с концентрацией частиц в фотосфере Солнца, а тем более в атмосфере Земли. Потому и «тепло» от короны мы практически не чувствуем.
Возникает и второй вопрос: какова причина столь высокой температуры в короне? Вот здесь однозначного ответа до сих пор нет. На сегодняшний день наиболее популярными гипотезами являются волновой нагрев и перезамыкание магнитных линий. Первую предложил Эври Шатцман в 1949 году. Согласно ей в недрах Солнца образуются магнетоакустические (продольные) и альвеновские волны (поперечные, направление распространения которых совпадает с направлением магнитных линий), которые переносят энергию из глубин светила на поверхность — фотосферу — и высвобождают в виде тепла, нагревающего корону. Эти волны должны быть низкочастотными — от миллигерц до нескольких сотен герц. Данные из солнечных обсерваторий SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) и TRACE (Transition Region and Coronal Explorer) показали, что волны этих частот присутствуют в Солнце, но их недостаточно для нагрева, а спутник SDO (Solar Dynamic Observatory) нашел такие волны в отдельных местах в нижних слоях солнечной атмосферы, в областях спокойного Солнца, в корональных дырах и активных областях. То есть они могут возникать повсеместно, но в разные промежутки времени. Но этого недостаточно, чтобы нагреть всю корону.
С другой стороны, имеет место перезамыкание магнитных линий между маленькими областями (50—1000 км) на поверхности Солнца, откуда исходят или куда входят эти линии. Области меняют свое положение из-за постоянного конвективного перемешивания вещества, благодаря чему и возникает перезамыкание, во время которого может произойти микро- или нановспышка, вызывающая нагрев.
Такие события должны происходить на Солнце повсюду и постоянно, но заметить их непосредственно не удается. Те же самые TRACE и SOHO видели в ультрафиолете легкие всплески яркости, которые и связали з этими микровспышками, но наблюдали их не везде. Эту гипотезу предложил Юджин Паркер.
Следующим этапом в изучении солнечной короны стало исследование ее с близкого расстояния с помощью космических аппаратов. Об этом мы расскажем в отдельной статье.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
