Пятнистые бури: Солнце

Судя по всему, именно пришедшая из Центральной Азии песчаная буря позволила китайским астрологам заметить солнечные пятна еще в 165 году до н.э. и впервые в истории зафиксировать этот факт в письменных документах (по другим данным, китайские и корейские звездочеты знали о пятнах куда раньше, около 800 года до н.э.). В 28 году до н.э. китайские хронисты начали регулярно вносить в свои анналы результаты подсчета солнечных пятен, который продолжался без малого 17 столетий.

В декабре 1610 года пятна разглядел в зрительную трубу англичанин Томас Хэрриот, разделяющий с Галилео Галилеем славу изобретателя телескопа. Позже сходные наблюдения выполнили сам Галилей и трое немецких астрономов, отец и сын Фабрициусы и Кристоф Шейнер. Галилей суммировал свои результаты в сочинении «Письма о солнечных пятнах», где, кстати, впервые сформулировал принцип инерции.

В дальнейшем наблюдение пятен сделалось довольно рутинным занятием и астрономов-профессионалов, и любителей. Таким был и немецкий аптекарь Самуэль Генрих Швабе, который в 1826 году начал вести постоянный счет пятнам. Он заметил, что четыре года спустя их количество достигло максимума, а потом стало убывать. Швабе продолжал свой регистр еще 13 лет и пришел к выводу, что число пятен меняется с десятилетним периодом. От него эстафету перенял швейцарец Иоганн Рудольф Вольф, который к тому же собрал и проанализировал все известные сведения о пятнах, начиная с наблюдений Хэрриота. В результате он пришел к выводу, что типичная продолжительность цикла составляет примерно 11 лет, и с тех пор эта оценка не изменилась. Впрочем, сейчас известно, что это лишь средний показатель. Анализ наблюдений, выполненных с начала XVIII века, показывает, что реальная протяженность варьирует с 9 до 14 лет.

Циклы регистрируются по номерам, которые им приписывают уже третье столетие. Самым первым считается цикл 1755−1766 годов, поскольку именно с него Вольф начал свою реконструкцию периодов солнечной активности. В январе 2008 года на Солнце было замечено пятно, знаменующее начало очередного, 24-го цикла. Прогнозисты предсказывают, что он будет весьма масштабным. Ожидается, что в его максимуме, который придется на 2011 или 2012 год, будет наблюдаться до нескольких десятков пятен. Для оценки солнечной активности и количества пятен применяется число Вольфа, равное сумме числа пятен и умноженного на 10 числа групп пятен, умноженной на нормировочный коэффициент, зависящий от наблюдателя и телескопа.

Хотя усредненный период солнечных циклов стабилен, их амплитуда меняется. Это доказал младший современник Вольфа англичанин Уолтер Маундер. В частности, он заметил, что в 1645—1715 годах количество пятен резко снизилось против средних цифр. В максимуме цикла оно подчас доходит до нескольких десятков, но в те годы измерялось единицами. Этот провал называют минимумом Маундера. Его причины пока неизвестны. Любопытно, что минимум Маундера в точности пришелся на середину резкого похолодания в Европе и Северной Америке, известного как Малый ледниковый период. Была ли тут связь, тоже не ясно.

Любителем астрономии был и богатый английский пивовар Ричард Каррингтон, который в середине XIX века заинтересовался движением пятен. Он установил, что после прохождения очередного минимума новые пятна сначала появляются по обе стороны от экватора примерно на широте 30 градусов, а затем начинают возникать и в более низких широтах вплоть до десятиградусной отметки. Маундер проиллюстрировал эту закономерность с помощью серии расположенных вдоль временной оси диаграмм, напоминающих распахнутые крылья бабочки.

На середину XIX столетия пришлась и первая демонстрация связи между солнечной активностью и магнетизмом. Немецкий астроном Иоганн фон Ламонт и англичанин сэр Эдвард Сэбин заметили, что изменения числа пятен хорошо коррелируют с колебаниями величины земного магнитного поля. Более чем через полвека, в 1908 году, американский астроном Джордж Эллери Хэйл открыл расщепление спектральных линий излучения атомов водорода, приходящего из области пятен. Он был знаком с исследованиями голландца Питера Зеемана, который двенадцатью годами ранее доказал, что такое расщепление имеет место в сильных магнитных полях и что свет дублетных линий поляризован в противоположных направлениях. Хэйл начал искать и нашел эту поляризацию, после чего вычислил, что поля внутри пятен достигают 3000 гауссов (земное магнитное поле не дотягивает и до половины гаусса). Он установил, что новоиспеченные пятна в каждом полушарии, как правило, рождаются парами, причем их локальные магнитные поля имеют противоположную полярность. Он также показал, что эти полярности на каждом новом цикле меняют знак. Таким образом, если учитывать не только число пятен, но и их магнитные характеристики, продолжительность солнечного цикла удваивается и он составляет 22 года, а не 11.

После исследований Хэйла уже не приходилось сомневаться, что пятна и их циклы непосредственно связаны с солнечным магнетизмом. В ХХ веке для их объяснения были придуманы модели, основанные на принципах магнитной гидродинамики. До полной теории пятен сейчас еще далеко, но основные пункты уже установлены. Не приходится сомневаться, что они служат видимыми метками проникновения в фотосферу сильных магнитных полей, рождающихся в конвективной зоне. Эти поля уменьшают поток энергии, исходящий из глубин Солнца, и поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Впрочем, это снижение температуры компенсируется тем, что вблизи границ пятна обычно возникают перегретые зоны, которые настолько же горячее средней температуры фотосферы, насколько пятна ее холоднее. Поэтому вариации общей светимости Солнца в максимумах и минимумах довольно малы, всего лишь порядка десятой доли процента.

Солнечные циклы проявляют себя не только в периодичности рождения пятен. С ними скоррелировано множество других атмосферных процессов — например, частота солнечных вспышек. В общем, все говорит за то, что циклы вызываются периодическими волновыми процессами глобальных (если этот термин применим к Солнцу) масштабов, которые протекают в солнечных глубинах, но самым серьезным образом влияют на динамику солнечной атмосферы.

Конечно, сами пятна мало интересуют кого-либо, кроме астрономов. Однако сопровождающая их солнечная активность (наряду с геомагнитной) определяет так называемую космическую погоду, которая оказывает значительное влияние на нашу жизнь.

Во время солнечных вспышек повышается уровень рентгеновского и УФ-излучения Солнца. До поверхности Земли, правда, оно почти не доходит, поглощаясь ионосферой. «В такие моменты ионосфера разогревается и ‘разбухает', плотность газа на высотах в несколько сотен километров увеличивается, при этом низкоорбитальные спутники ‘тормозятся', ‘проседают' и могут быть потеряны, — объясняет "ПМ" Анатолий Петрукович, заведующий лабораторией динамики энергичных частиц и космической погоды Института космических исследований (ИКИ) РАН. — После мощных солнечных вспышек часто требуется корректировать орбиты спутников или орбитальных станций. Кроме того, происходит аномальная ионизация ионосферы, которая приводит к нарушению радиосвязи, порой на многие часы».

Более серьезную угрозу для современной технологической цивилизации представляют солнечные космические лучи, потоки заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем во время вспышек. Они относительно медленные — в отличие от рентгена, летят до Земли несколько часов. «Потоки этих частиц в целом задерживаются магнитосферой Земли, — говорит Анатолий Петрукович. — Их воздействие проявляется в основном в отношении спутников на орбитах выше 1000 км, а также в высоких широтах, где они все-таки достигают ионосферы и вызывают дополнительную ионизацию и нарушение радиосвязи. На спутниках эти частицы вызывают зашумление различных детекторов, сбои в работе компьютеров и деградацию электроники».

Третий фактор — выбросы солнечной плазмы с «вмороженным» в нее магнитным полем (так называемые магнитные облака). «Воздействие магнитного облака на магнитосферу Земли приводит к ее аномальному возмущению — магнитной буре, во время которой происходит накопление большого количества очень горячих заряженных частиц (протонов, электронов, ионов кислорода) в магнитосфере, — поясняет Анатолий Петрукович. — При этом, например, на геостационарной орбите (находящейся во внешнем радиационном поясе) появляются облака очень горячих электронов. Они приводят к появлению на поверхности спутников электрического заряда с потенциалом до нескольких киловольт. Соседние детали спутников могут при этом иметь существенно разный потенциал, что приводит к электрическому пробою и часто к выходу из строя чувствительной электроники. Кроме того, вариации геомагнитного поля у поверхности генерируют индуцированные токи в трубопроводах, линиях электропередач или железнодорожных путях. Соответственно, это приводит к ускоренной коррозии труб, нарушению работы энергосистем и железнодорожной автоматики. Особенно важно это в высоких широтах, поэтому, например, очень активно эти эффекты изучают в Канаде». Впрочем, особо мощные вспышки могут затронуть и большую территорию: скажем, считается, что 1 сентября 1851 года солнечная супервспышка выбила телеграфные линии и породила всполохи северного сияния даже неподалеку от экватора, на Гавайях.