Заурядная звезда главной последовательности, каких миллиарды только в нашей Галактике, – вот что такое Солнце, если взглянуть на него объективно. Но разве большинству людей есть хоть какое-то дело до объективности, когда речь идет о главном светиле нашей системы, свет которого согревает нас и служит источником пищи через фотосинтез растений и плоть питающихся ими животных? Когда холодным росистым утром над горизонтом встает огненный шар и ласкает нас, озябших, своими лучами, любой человек, пустившийся в рассуждения о заурядном месте Солнца среди звезд, рискует нажить репутацию зануды. Солнцу мы обязаны самим феноменом жизни – и этим, казалось бы, все сказано. Недаром в честь Солнца люди исстари слагали стихи, молились ему, а нередко и приносили человеческие жертвы. Среди «солнечных» богов особой «любовью к людям», приносимым ему в качестве жертв, отличался ацтекский Кукулькан. Пытались не отстать и иные «солнечные» боги, имя им легион. Вряд ли на Земле был такой народ, который так или иначе не поклонялся Солнцу.

И разве надо объяснять, почему фараон-революционер Эхнатон выбрал в качестве единого божества не кого-нибудь, а Атона – бога солнечного диска?

То, что Солнце, какие бы антропоморфные или звериные обличья оно ни принимало в глазах наших простодушных предков, представляет собой нечто огненное, не сомневался никто. Это как раз тот случай, когда человек мог довериться своим органам чувств и в первом приближении не ошибиться. Правда, Солнце очень долго считалось спутником Земли, много меньшим земного диска (или даже шара), а великое прозрение Аристарха Самосского в III веке до н. э. насчет истинных размеров Солнца по отношению к Земле осталось лишь гласом чудака-одиночки вплоть до издания в 1515 году «Малого комментария» Николая

Коперника с первым изложением гелиоцентрической системы мира и указанием относительных расстояний планет до Солнца. Но параллакс Солнца был измерен лишь в 1671–1672 годах. Из него уже элементарно получалось точное расстояние до Солнца и его диаметр. Массу Солнца удалось оценить после открытия Кеплером законов движения небесных тел.

Вот современные цифры: масса Солнца равна 1,989 × 10³⁰ кг, что примерно в 750 раз больше суммарной массы всех прочих тел Солнечной системы и в 333 тыс. раз больше массы Земли; диаметр Солнца равен 1,392 млн км, что в 109 раз больше диаметра Земли. Из этого следует средняя плотность 1,409 г/см³. Как видим, Аристарх Самосский несколько преувеличил размеры Солнца (конечно, если он имел в виду диаметр, а не объем или массу), но угадал порядок.

Но если с размерами и массой Солнца астрономам удалось разобраться, то причины его светимости оставались неясными вплоть до начала прошлого века. Предположение, что Солнце светит просто за счет тепловой инерции, как светится в темноте только что вынутая из горна железная заготовка на наковальне кузнеца, было сразу же отброшено как несерьезное. Простые расчеты показывали, что Солнце, не имеющее собственного источника энергии, остынет достаточно быстро – за вполне историческое время. Быть может, в Солнце идет горение какого-нибудь топлива вроде угля? Увы – несложные расчеты показали, что при наблюдаемой светимости угольное Солнышко прогорит в шлак всего за несколько тысяч лет.

Выход вроде бы нашел Г. Гельмгольц в середине XIX века: он предположил, что Солнце светит за счет медленного сжатия. Высвобождающаяся при этом энергия должна куда-то деваться, вот она и идет на поддержание высокой температуры и светимости Солнца. Правда, расчеты показали, что всего лишь несколько десятков миллионов лет назад радиус Солнца должен был превосходить радиус земной орбиты, и это сильно раздражало геологов, уже в те годы убежденных в том, что Земле минимум несколько сотен миллионов лет, но астрономов до поры до времени устраивало. Скорее всего – из-за отсутствия более приемлемых гипотез. Не принимать же всерьез гипотезу о светимости Солнца за счет непрерывного выпадения на его поверхность метеоров! А ведь была и такая.

С открытием А. Беккерелем явления радиоактивности появилось новое поле для выдвижения гипотез, и довольно скоро астрофизики пришли к выводу: причина светимости Солнца – ядерные реакции в его недрах. Какие именно реакции – было пока неизвестно, высказывалась даже гипотеза о том, что это радиоактивный распад (скажем, радия), но очень скоро была отвергнута. Радиоактивность – явление спонтанное, а было ясно, что внутри Солнца существует некая «отрицательная обратная связь», при помощи которой Солнце сохраняет свои характеристики на протяжении весьма значительного времени. Лишь в 30-е годы XX века было доказано, что внутри Солнца идут ядерные реакции синтеза.

Впрочем, основателя теории внутреннего строения звезд А. Эддингтона это не особенного волновало. Он исходил из двух постулатов: а) в центре звезды есть постоянно действующий источник энергии, причем его «физика» не имеет значения; б) вещество звезды подчиняется основным газовым законам. В обоих предположениях Эддингтон оказался прав: ядерные реакции действительно идут в центральной области Солнца, а его вещество в первом приближении ведет себя как идеальный газ. Сам же спектр солнечного излучения, как ни странно, напоминает спектр абсолютно черного тела, нагретого до 5779 кельвинов.

Газовый шар, находящийся в состоянии равновесия, – вот что такое звезда по Эддингтону. Равновесие это обеспечивается равенством двух противоположно направленных сил: силы тяготения, стремящейся сжать звезду в точку, и силы давления газа, стремящейся рассеять вещество звезды в пространстве. В зависимости от физических условий вещество звезды может пребывать либо в устойчивом состоянии, когда любое местное нарушение плотности, температуры и давления газа немедленно самоустраняется, либо в состоянии конвекции, которая заставляет вещество звезды буквально кипеть. На практике обе ситуации обычно реализуются в разных глубинных зонах одной и той же звезды.

Солнце не исключение. Его можно условно разделить на три вложенные друг в друга части, примерно равные по радиусу (рис. 20 на цветной вклейке). Во внутренней трети идут ядерные реакции на водороде, это зона энерговыделения. Промежуточная зона – область лучистого переноса энергии. Вещество Солнца здесь уже нагрето недостаточно для ядерных реакций, но еще имеет довольно высокую температуру, обеспечивающую газу прозрачность. Это не значит, что тут вообще не происходит перемешивания вещества, однако за транспортировку энергии отвечает главным образом лучистый перенос.

И наконец, третья, внешняя зона – это зона конвекции. Вещество в ней уже достаточно холодное, чтобы стать непрозрачным. Здесь слой солнечного вещества толщиной всего 1 мм практически полностью поглощает фотоны. Естественно, при этом происходит возбуждение атомов, которое потом «сбрасывается» за счет излучения атомами фотонов тех же или меньших энергий, но это – спонтанный процесс, его нельзя сделать сколь угодно быстрым. В результате энергия задерживается в веществе, и вещество оказывается в состоянии тепловой неустойчивости. Естественный и неизбежный выход в такой ситуации – перенос энергии из глубинных слоев к поверхности с помощью конвекции.

Какие же ядерные реакции идут в центральных областях Солнца?

Естественно, это термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Их известно две: прямая протон-протонная реакция и углеродно-азотный цикл Бете – Вайцзеккера. Каждая из них идет в несколько этапов. Рассмотрим обе.

Протон-протонная реакция начинается с того, что ядро атома водорода (протон) соединяется с другим таким же протоном, образуя ядро дейтерия. Это самый вялотекущий этап протон-протонной реакции. Почему? Чтобы понять это, рассмотрим состояние вещества в центре Солнца.

Естественно, мы не можем заглянуть туда. Лишь солнечные нейтрино, беспрепятственно пронзающие толщу солнечного вещества, доносят до нас кое-какую информацию. Но в целом о том, что делается в недрах Солнца, ученым известно лишь из численных моделей. При этом некоторые параметры остаются неизвестными. Трудно сказать, сколько водорода в центре Солнца успело превратиться в гелий за время существования нашего светила. Трудно сказать, идет ли там перемешивание вещества, а если идет, то с какой интенсивностью. Приходится строить модели с разными «вводными». К счастью, в основе они не очень сильно отличаются друг от друга.

Температура вещества в центре Солнца достигает 14–15 млн К. Плотность газа составляет 140–180 г/см³. При этом вещество в центре Солнца остается газом, причем не вырожденным, как в белых карликах, а наоборот, близким к идеальному газу. Следовательно, к нему могут применяться классические газовые законы.

Сказанное может повергнуть в легкую оторопь: вещество с плотностью, на порядок превышающей плотность тяжелых металлов, и давлением в 340 млрд атмосфер – газ, да еще идеальный? И тем не менее это так. Почти. Вспомним, что такое идеальный газ. Это газ, в котором столкновения частиц сводятся к абсолютно упругим соударениям без какого бы то ни было иного взаимодействия между ними. Сейчас мы поймем, что в недрах Солнца почти так и есть.

Чтобы преодолеть кулоновские силы отталкивания и слипнуться в ядро дейтерия, хотя бы одному из двух протонов надо иметь энергию порядка 1000 кэВ. Распределение энергий частиц в газе, как мы знаем из школьного курса физики, максвелловское, то есть количество высокоэнергичных частиц падает по гиперболическому закону. Если подсчитать среднюю энергию протона в центре Солнца, то она составит всего-навсего 1 кэВ. Частиц с энергией 1000 кэВ просто не будет. С точки зрения классической физики, звезды типа нашего Солнца и менее массивные, чьи недра нагреты слабее, излучать за счет ядерных реакций не могут.

Но звезды все же излучают, а значит, природа нашла выход из положения. Согласно законам квантовой механики, протоны, имеющие энергию значительно меньше требуемой, скажем, 20 кэВ, все-таки могут с вероятностью, отличной от нуля, реагировать друг с другом. И протоны с такими энергиями в центре Солнца уже есть.

Их мало, конечно. И невелика вероятность реакции между двумя протонами с энергиями всего-навсего в десятки килоэлектронвольт, причем с уменьшением энергии частиц вероятность реакции между ними резко падает. (Именно поэтому главная последовательность диаграммы Герцшпрунга – Рессела идет круто вниз в области красных карликов.) Подсчитано, что в условиях солнечных недр любой случайно выбранный протон вступит в реакцию со своим собратом в среднем через 10 млрд лет.

Казалось бы, чудовищный срок. Однако это именно то, что надо для обеспечения современной светимости Солнца. Вероятность реакции между протонами крайне низка, зато протонов очень много, так что в результате мы на Земле не особенно мерзнем. А кто жалуется на холод, тот пусть спросит бедуина в аравийской пустыне, холодно ли ему днем. Вопрошающему повезет, если ему попадется бедуин, наделенный чувством юмора.

Следующий этап протон-протонной реакции, напротив, идет очень быстро, в среднем за 5 с. Столько времени нужно, чтобы ядро дейтерия поглотило еще один протон и превратилось в ядро гелия-3. И наконец, на третьем этапе два ядра гелия-3 сливаются, образуя ядро гелия-4 и два протона. На это в среднем уходит «всего» миллион лет.

Запишем этапы реакции:

¹Н + ¹Н → ²D + позитрон + нейтрино + 1,44 МэВ (10¹⁰ лет)

²D + ¹Н →³Не + гамма-квант + 5,49 МэВ (5 секунд)

³Не + ³Не →⁴Не – ИН +¹Н + 12, 85 МэВ (10⁶ лет)

Не вся высвободившаяся в результате этой цепи реакций энергия передается звезде – часть ее уносят нейтрино. Все же при образовании одного ядра гелия звезда получает 26,2 Мэв, или 4,2 х 10^-5 эрг.

Существует – причем не только в теории, но и в реальности – и другая ветвь той же реакции. Ядро гелия-3 может прореагировать с ядром обычного гелия-4, после чего образуется ядро бериллия-7. Это ядро может захватить протон и превратиться в ядро бора-8 или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае ядро бора-8 претерпевает бета-распад, превращаясь в ядро бериллия-8 с попутным образованием позитрона и нейтрино. (Именно эти солнечные нейтрино были впервые обнаружены на перхлорэтиленовом детекторе; об этом ниже.) Бериллий-8 весьма неустойчив и быстро распадается на два ядра гелия-4. Во втором случае, когда образуется ядро лития-7, оно захватывает протон и опять-таки превращается в бериллий-8, который охотно распадается на две альфа-частицы (ядра гелия-4). Словом, на какие бы ухищрения природа здесь ни шла, какие бы варианты реакций ни предлагала, в результате водород все равно превращается в гелий, выделяя при этом энергию.

Углеродно-азотный цикл состоит из шести реакций:

¹²С +¹Н → ¹³N + гамма-квант + 1,95 МэВ (1,3 х 10⁷ лет)

¹³N → ¹³С + позитрон + нейтрино + 2,22 МэВ (7 минут)

¹³С + ¹Н → ¹⁴N + гамма-квант + 7,54 МэВ (2,7 х 10⁶лет)

¹⁴N + ¹Н → ¹⁵O + гамма-квант + 7,35 МэВ (3,2 х 10⁸ лет)

¹⁵O → ¹⁵N + позитрон + нейтрино + 2,71 МэВ (82 с)

¹⁵N +¹Н → ¹²С +⁴Не +4,96 МэВ (1,1 х 10⁵ лет)

В этом цикле ядерных реакций на одно получившееся ядро гелия выделяется (без учета нейтрино) 25 МэВ энергии.

Как видим, цикл состоит из четырех актов присоединения протона и двух бета-распадов. Углерод, участвующий в цикле, в конце его восстанавливается и не тратится, являясь, таким образом, «катализатором» реакции. Без углерода этот цикл просто не пойдет, как не шел он в самых первых звездах Вселенной, где углерода еще просто не было (напомню: он вырабатывается в «тройной гелиевой реакции» из ядер гелия в недрах красных гигантов и сверхгигантов при температурах свыше 100 млн К). Внутри Солнца, образовавшегося из космического вещества, уже обогащенного тяжелыми элементами, углерод, естественно, присутствовал с самого начала.

Обе эти группы реакций весьма чувствительным образом зависят от температуры. Скорость протон-протонной реакции в диапазоне температур 11–16 млн К зависит от температуры в четвертой степени, и это еще куда ни шло. Скорость же углеродно-азотного цикла зависит от температуры куда более сильно: степени этак в пятнадцатой. Поэтому в маломассивных красных карликах реакции углеродно-азотного цикла вообще не идут. И наоборот: в массивных горячих звездах главной последовательности идут, конечно, оба типа реакций, но главенствует углеродно-азотный цикл, а протон-протонная реакция идет к нему несущественным «довеском».

А как же Солнце? Лет 60 назад считалось, что единственным источником его излучения служит углеродно-азотный цикл. Теперь стало ясно, что он играет подчиненную роль, а основное энерговыделение в центре Солнца обеспечивает все же протон-протонная реакция. Для того чтобы углеродно-азотный цикл «развернулся вовсю», внутри Солнца просто не хватает температуры.

И это отрадно: в противном случае жизнь в Солнечной системе могла бы и не возникнуть вовсе, а если бы и возникла, то не на Земле, а подальше от чересчур мощного центрального светила, скажем, на Марсе, куда менее приспособленном для биологической эволюции…

В результате ядерных реакций энергия выделяется в виде гамма-квантов. Теперь даже дети знают, что гамма-излучение губительно для всего живого. И тем не менее мы живем не в подземных убежищах, а на воздух выходим чаще днем, чем ночью, и притом без свинцовых зонтиков. Дело в том, что по пути из глубины Солнца к поверхности кванты «худеют» – так, во всяком случае, сказано в некоторых научно-популярных книжках. Автор не знает, что такое «худой» или «толстый» квант, и категорически отказывается принимать эту метафору. Лучше сказать, что вместо одного высокоэнергичного кванта до поверхности Солнца доходит целая уйма гораздо менее энергичных квантов. Ведь какой-нибудь атом солнечного вещества, поглотив высокоэнергичный квант и перейдя в сильно возбужденное состояние, чаще всего избавляется от него не сразу, а постепенно, излучая менее энергичные кванты в соответствии с «нарезкой» своих квантовых уровней и мало-помалу возвращаясь в исходное состояние. Естественно, на этом теряется время. Не взаимодействующие с веществом нейтрино вырвутся из глубин Солнца на поверхность за какие-нибудь две секунды, а гамма-квант (имеется в виду не фотон, а именно порция энергии) будет долго «просачиваться» к поверхности Солнца, чтобы быть излученным в пространство в виде многих квантов оптического, инфракрасного, ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов. Максимум излучения приходится на желтый участок видимого диапазона, что мы и наблюдаем. Время «просачивания» измеряется миллионами лет.

Но вот наконец кванты добрались до поверхности Солнца и были излучены. Правда, что такое поверхность Солнца – не вполне ясно. То, что мы видим, наблюдая Солнце сквозь темные очки, закопченное стекло или какой-нибудь фильтр, называется фотосферой. Это весьма условная граница собственно Солнца, над которой находятся слои солнечной атмосферы. Толщину фотосферы можно принять равной 100–200 км. Именно в фотосфере заканчивается конвективное движение солнечного вещества, здесь оно «сбрасывает» вовне избыток энергии в виде излучения, которым мы на Земле с удовольствием и пользуемся.

Вся поверхность фотосферы покрыта гранулами – нестойкими светлыми образованиями в целом округлых очертаний и флоккулами – волокнами разнообразной формы. Если смотреть на Солнце в телескоп сквозь фильтр, видно, что в промежутках между гранулами лежит более темный фон. Это значит, что гранулы ярче основного фона солнечной поверхности. Оно и понятно: ведь гранулы суть не что иное, как верхушки конвективных ячеек. Горячее вещество, всплывающее к поверхности, образует гранулу, в ее центре вещество поднимается и, достигнув поверхности, растекается к краям. Излучив энергию и охладившись, вещество вновь ныряет в глубину в промежутках между гранулами. Самая обыкновенная конвекция; нечто похожее можно наблюдать в кастрюле с поспевающей кашей или киселем. Разница лишь в масштабах: поперечник гранул составляет 400-1500 км, а их температура градусов на 200 выше средней по фотосфере.

Между прочим, в научно-популярных фильмах о Солнце под видом «кипения» солнечной поверхности нередко показывают кипящую рисовую кашу. Сходство весьма значительное. И не случайное.

Как минимум со времен Галилея известно, что на Солнце есть пятна (рис. 21 на цветной вклейке). «Как минимум» – потому что некоторые особенно крупные пятна, появляющиеся в годы максимумов солнечной активности, могут быть заметны и невооруженному глазу. Автору этой книжки случалось наблюдать такие пятна сквозь поглощающий фильтр, роль которого исполняла обыкновенная компьютерная дискета. Можно также использовать стопку фотонегативов или традиционное закопченное стекло. А иногда, особенно на восходе и закате, когда лучи Солнца падают очень наклонно и вынуждены пробираться сквозь значительную толщу воздуха, ослабляясь при этом, большое пятно на солнечном диске можно увидеть и невооруженным глазом. Если же вы хотите посмотреть на Солнце в телескоп, бинокль, подзорную трубу или какой-нибудь иной оптический прибор, собирающий свет в зрачок, то не делайте этого иначе, чем с апертурным (не окулярным!) фильтром. Старая жестокая шутка гласит, что в телескоп на Солнце можно посмотреть только дважды – один раз правым глазом и один раз левым. В этой шутке очень много правды: зрение после столь варварского эксперимента удается восстановить далеко не всегда.

Что такое солнечные пятна?

Движение заряженных частиц, естественно, создает магнитное поле. В Солнце полным-полно заряженных частиц, и они движутся. Во-первых, имеет место конвективное движение. Во-вторых, Солнце вращается вокруг своей оси, причем не как твердое тело, а зонально: скорость вращения на солнечном экваторе выше, чем в высоких солнечных широтах. Следовательно, Солнце должно иметь магнитное поле просто по определению. Так оно и есть, хотя его напряженность по сравнению с рядом более активно вращающихся звезд невелика: около 1 Э (эрстед). Из-за сложной картины движения заряженных частиц магнитное поле Солнца тоже сложное и мало похоже на простое дипольное магнитное поле Земли. Магнитные силовые линии выходят на поверхность Солнца в самых неожиданных и притом дрейфующих местах.

В таких местах и наблюдаются пятна (рис. 22 на цветной вклейке). В них напряженность магнитного поля в 8-10 раз выше средней. Сильное магнитное поле в пятнах проявляется в эффекте Зеемана – расщеплении спектральных линий на три компонента. Показательно, что солнечные пятна часто наблюдаются парами, между которыми протянут пучок силовых магнитных линий, выходящий из поверхности Солнца в одном пятне, образующий арку над солнечной поверхностью и скрывающийся в другом – почти таком же на вид – пятне (рис. 23 на цветной вклейке).

Пятна примерно на тысячу градусов холоднее окружающих их областей и заметно вдавлены, что хорошо заметно визуально, если проследить за пятном, дрейфующим от центра к краю солнечного диска. Воронкообразная форма пятен была обнаружена еще в 1774 году шотландским астрономом А. Вилсоном. Пятна обрамлены флоккулами, которые близ края диска выглядят как факелы. Температура факелов, напротив, выше средней по фотосфере.

Факелы лучше видны близ края диска из-за эффекта потемнения солнечного диска к краю. Объяснение этого явления состоит в том, что в направлении на центр Солнца (перпендикулярно к поверхности) взор наблюдателя проникает глубже и видит более горячие слои, чем в направлении на край, где луч света, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходит значительную толщу верхних, не таких горячих, слоев фотосферы.

Всем известен 11-летний (точнее, и, 1-летний) цикл солнечной активности. Открыл его в XIX веке немецкий астроном-любитель, аптекарь по профессии, Г. Швабе, потративший 43 года на поиски планеты, расположенной ближе к Солнцу, чем Меркурий, и заранее нареченной Вулканом. Поскольку даже наблюдения Меркурия не очень просты из-за близости планеты к Солнцу, так что Меркурий всегда виден низко над горизонтом в лучах вечерней либо утренней зари, Швабе здраво рассудил, что поиски Вулкана на небе сразу после захода (либо перед самым восходом) Солнца вряд ли приведут к успеху. Однако планета, чья орбита почти наверняка лежит недалеко от плоскости эклиптики, и вдобавок ближайшая к Солнцу, должна время от времени проходить по солнечному диску, как проходят по нему иногда Меркурий и Венера. И вот Швабе 43 года занимался наблюдением солнечных пятен, надеясь, что какое-нибудь из них окажется не пятном, а диском неизвестной планеты. Как сейчас заведомо известно, внутри орбиты Меркурия планет нет, и вообще там нет постоянно находящихся тел, чей диаметр превышал бы 5 км, так что поиски Швабе… так и хочется написать «ни к чему не привели». Но нет – они привели к открытию 11-летнего цикла, так что если неутомимый аптекарь надеялся оставить след в астрономии, то он своего добился даже без открытия Вулкана.

Правда, как это часто бывает, выяснилось, что Швабе «изобрел велосипед» и «открыл Америку». Оказалось, что на цикличность появления солнечных пятен обратил внимание датский астроном Горребов еще в 70-е годы XVIII века, но авторитеты того времени отрицательно оценили полученный им результат, да и сами материалы впоследствии погибли при обстреле Копенгагена эскадрой адмирала Нельсона, как легко догадаться, мало озабоченного вопросами солнечной астрономии. Так что 43-летние труды Швабе были не напрасны.

Эстафету подхватил швейцарский астроном Рудольф Вольф. Он подтвердил цикличность появления пятен, предложил специальный индекс солнечной активности, впоследствии названный в его честь, выдвинул идею об организации Службы наблюдения Солнца и восстановил по сохранившимся наблюдениям предшественников среднегодовые значения W начиная с 1700 года, а начиная с 1749 года – и среднемесячные. Позднее эта «летопись» была дополнена еще более ранними, но, к сожалению, отрывочными наблюдениями.

Наблюдения Горребова и Швабе блистательно подтвердились: действительно, в среднем каждые и лет количество пятен на Солнце увеличивается, чтобы затем уменьшиться, снова увеличиться через 11 лет, и так без конца. Менее известны другие циклы, как более короткие (2-летний), так и более длинные, вековые (например, 180-летний) и сверхвековые. Прежде всего: чем они вызываются?

Первопричина лежит в зональном вращении Солнца. На экваторе солнечное вещество делает полный оборот за 25,38 земных суток (что соответствует линейной скорости 2 км/с), близ полюсов же – примерно за 33 суток. И на эту разницу накладывается еще конвекция в толстом верхнем слое Солнца! Нет ничего удивительного в периодичности – или, говоря точнее, квазипериодичности – явлений на поверхности Солнца. Ведь конвекционные движения вещества нередко лишь кажутся хаотическими, на самом же деле они часто обладают известной степенью упорядоченности. Циклическая (а не случайная) активность Солнца – одно из проявлений такой упорядоченности в неупорядоченных с виду системах.

Магнитное поле Солнца переполюсовывается каждый 11-летний период, что говорит об изменении направления движения больших масс вещества; таким образом, полный период изменений солнечной активности составляет 22 года (магнитный цикл, он же цикл Хейла). В каждом новом цикле солнечные пятна имеют определенную магнитную полярность. Например, в северном полушарии в каждой паре пятен впереди (то есть по ходу вращения Солнца) располагается пятно с северным магнетизмом, а позади – с южным. В южном же полушарии в этот период – прямо наоборот. При переполюсовке все меняется. Можно сказать, что Солнце – магнитно-переменная звезда.

В минимуме активности пятен не только мало, но, что для нас важнее, они находятся далеко от солнечного экватора, группируясь примерно к 35-й широте (северной и южной), а иногда заходят и за 50-ю широту. Ближе к максимуму активности пятна смещаются ближе к экватору (закон Шперера) и их становится больше. С середины XIX столетия уровень активности определяется числом Вольфа (W), равным сумме числа отдельных пятен и удесятеренного числа групп пятен. Числом Вольфа астрономы порой пользуются и ныне, хотя оно несколько субъективно, да и дискретно. Физически более обоснованным является другой важный индекс солнечной активности, а именно поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см. Его регистрация ведется с 1948 года. Величина этого индекса просто-напросто представляет собой среднюю температуру теплового излучения, связанного с активными областями на Солнце. Однако немаловажно то, что этот вполне объективный индекс хорошо коррелирует с числом Вольфа.

Итак, во время максимумов солнечной активности на Солнце больше пятен и выше уровень радиоизлучения от него. А что же оптическое излучение? Измерения показали, что при среднем количестве солнечной энергии, приходящейся на единицу перпендикулярной солнечным лучам поверхности на среднем расстоянии от Земли до Солнца, называемой солнечной постоянной и составляющей 1369 Вт/м², вариации все же происходят. В годы максимумов эта величина возрастает на о,2–0,3 % по сравнению с годами минимума. Как видим, Солнце не только магнитнопеременная, но и реально переменная звезда. Астрономы не переводят ее в разряд переменных, во-первых, из-за малости колебаний светового потока, а во-вторых, потому что если учитывать столь малые изменения, то к разряду переменных придется отнести едва ли не все звезды.

Внимательный читатель может заподозрить некоторое противоречие: поток идущей от Солнца энергии в годы максимумов активности возрастает, в то время как пятен на Солнце становится больше, они занимают большую площадь, и они холоднее, а значит, поток солнечной энергии по идее должен уменьшаться, а не увеличиваться. Но нет, он все-таки увеличивается. Объясняется это тем, что факелы и целые факельные поля, обрамляющие пятна, не просто компенсируют падение излучения в пятнах, но компенсируют его даже с некоторой лихвой.

Пятна бывают как маленькими, так и громадными – больше поперечника Земли. В 1995 году автоматической солнечной обсерваторией SOHO, выведенной на меридиональную гелиоцентрическую орбиту в целях изучения Солнца, было зафиксировано рекордное пятно с поперечником в 100 тыс. км, что в семь с лишним раз больше земного диаметра. В минимуме цикла число Вольфа может сократиться почти до нуля (в редких случаях – просто до нуля без «почти»), зато в максимуме оно обычно превосходит 100, а на пике максимума может превышать и 200. Тут надо оговориться, что минимум цикла и максимум цикла – понятия в некоторой мере условные, так как число Вольфа изменяется во времени отнюдь не по строгой синусоиде (рис. 24) и вообще пятна, соответствующие новому циклу, могут появиться в высоких широтах еще до того, как закончится предыдущий цикл.

Для нас «на бытовом уровне» важно то, что в максимуме цикла пятна расположены вблизи солнечного экватора, а наклон плоскости земной орбиты к солнечному экватору составляет всего 7,25° – не так уж много. Иначе говоря, если оттуда что «выстрелит», то запросто может задеть и Землю. Что и происходит время от времени.

В активных областях Солнца (то есть там же, где расположены и пятна) время от времени происходят вспышки, иногда очень мощные. Солнечный ветер (поток заряженных частиц – преимущественно электронов и протонов) существует всегда, но во время вспышки он усиливается многократно – к счастью, не во всех направлениях.

Рис. 24. Годовые числа Вольфа с 1750 года

При вспышке из активной области выстреливается довольно узкий пучок частиц, летящих со скоростью порядка 2000 км/с, что вдвое выше скорости нормального солнечного ветра. Что происходит на Земле, когда она проходит сквозь такой пучок, хорошо известно. Это магнитные бури. Поток заряженных частиц сильно деформирует магнитное поле Земли, что чувствуют на себе не только люди, склонные к мигрени, но иногда и население довольно обширных регионов, оставшееся без электричества и телефонной связи. Ведь меняющееся магнитное поле наводит в проводниках (линиях электропередач) довольно значительные токи, вполне способные вызвать аварийное отключение какой-либо подстанции, а вслед за ней – веерное отключение значительной части всей энергосистемы того или иного региона. Кроме того, – и это, пожалуй, единственное приятное свойство солнечных вспышек – они вызывают полярные сияния.

Красивейшее зрелище! Слабые полярные сияния бесцветны, зато сильные переливаются всеми красками с преобладанием красного и зеленого цветов (рис. 25 на цветной вклейке). Цвета обусловлены возбуждением тех или иных атомов атмосферы (кислород, азот), которые при возвращении в невозбужденное состояние испускают фотоны соответствующих энергий. Возбуждение же атомов происходит из-за того, что часть летящих от Солнца заряженных частиц все же проникает под магнитную «броню» Земли и отклоняется ее магнитным полем к полюсам. Из-за этого полярные сияния чаще всего наблюдаются в высоких широтах обоих полушарий.

Не надо только думать, что так происходит всегда! Обитатели средних и даже тропических широт тоже имеют отличный от нуля шанс увидеть полярное сияние. Довольно свежий пример: 28 октября 2004 года полярное сияние наблюдалось в Москве и было настолько сильным, что его заметили даже близ центра мегаполиса, залитого ночными огнями настолько, что и ярчайшие звезды были заметны с трудом. Автор наблюдал это сияние в Подмосковье и получил огромное удовольствие.

В годы особенно активного Солнца полярные сияния наблюдались в Крыму и даже гораздо южнее: на Кубе, а один раз и в Сингапуре, лежащем почти на экваторе! Само собой, столь мощные сияния – большая редкость, и все же жителям южных районов нашей страны я бы посоветовал хоть иногда поднимать взгляд к северному горизонту во время магнитных бурь, то есть спустя сутки-двое после мощных солнечных вспышек, о которых сообщают СМИ. Вдруг повезет?

Но оставим на время в покое Землю и вернемся к Солнцу. Выше фотосферы, как мы уже знаем, располагаются слои солнечной атмосферы. Их условно делят на обращающий слой, хромосферу и корону. Обращающий слой толщиной всего 500 км содержит атомы многих химических элементов, причем они далеко не полностью ионизованы. Как следствие, здесь происходит поглощение, рассеяние и переизлучение энергии во всех направлениях. Поглощение приводит к появлению в солнечном спектре многочисленных темных фраунгоферовых линий, часто называемых просто линиями поглощения. В последнее время термин «обращающий слой» постепенно выходит из употребления, а вместо него говорят просто о верхних слоях фотосферы.

Линий поглощения – великое множество (26 тыс. в диапазоне от 300 до 1360 нм). Спектральным путем на Солнце выявлено присутствие 72 химических элементов и ряд простых двухатомных молекул. Если учесть, что некоторые элементы дают в видимой области спектра сотни и даже тысячи линий поглощения, картина становится понятной. Однако в солнечном спектре еще остаются слабые неотождествленные линии.

Хромосфера расположена выше, ее толщина составляет примерно 12 тыс. км. Ее спектр (полученный во время солнечных затмений) состоит из одних лишь ярких линий, так как темные линии спектра обращаются в хромосфере в яркие, а непрерывный спектр почти гаснет. Значительная часть излучения приходится на красную эмиссионную линию водорода, поэтому цвет хромосферы – ярко-красный. Также интенсивны линии ионизованных гелия, кальция и магния. Любопытно, что температура хромосферы быстро растет с высотой, в то время как плотность вещества столь же быстро падает. Если температура нижних слоев хромосферы держится на уровне 5000–6000 К, то в верхних ее слоях, где хромосфера уже переходит в корону, температура возрастает почти до миллиона кельвинов! Понятно, почему атомы в хромосфере перестают поглощать – они же при такой температуре полностью ионизованы!

Хромосфера «в разрезе» далеко не однородна. Она состоит из великого множества тонких волокон, напоминающих горящие травинки. Самые большие из них, высотой в несколько тысяч километров и шириной основания до тысячи километров, называются спикулами. Время их существования невелико: до 3–5 минут. Спикул больше у полюсов Солнца, чем близ экватора. По сути спикулы – это выбросы вещества со скоростью в несколько десятков км/с.

Помимо спикул – мелких в сравнении с размером Солнца образований – на краю Солнца часто наблюдаются протуберанцы. Это громадные объемы вещества, выбрасываемые нашим светилом и вновь оседающие на его поверхность. Спокойные (облакообразные) протуберанцы могут существовать неделями и даже месяцами; активные же протуберанцы отличаются быстрыми движениями потоков вещества от протуберанца к фотосфере и от одного протуберанца к другому. Наконец, эруптивные (изверженные) протуберанцы (рис. 26 на цветной вклейке) напоминают огромные фонтаны, достигающие 1,7 млн км в высоту (обычно все же гораздо меньше). Движение вещества в них также происходит очень быстро, со скоростями до нескольких сотен км/с. Такие протуберанцы порой быстро меняют свою форму. Однако практически все эти грандиозные фонтаны заканчивают одинаково: «выдыхаются» и либо «втягиваются» обратно в Солнце, как дождевые черви, высунувшиеся из почвы и понявшие, что им не очень нравится жизнь на вольном воздухе, либо распадаются на отдельные облака, также падающие на Солнце по траекториям, напоминающим (и не случайно) силовые линии магнитного поля. Если бы не оно, то некоторая часть вещества очень быстрых (до 700 км/с) протуберанцев навсегда покидала бы Солнце, имеющее «вторую космическую» скорость у поверхности – 617,7 км/с.

В наше время солнечные протуберанцы (также и пятна) может сколько угодно наблюдать любой, кто купит в магазине астрономических товаров 40– или 70-миллиметровую трубку «Коронадо» на штативе. Это обычная увеличительная трубка с внутренним фильтром, пропускающим крайне узкую (порядка 1 А) полосу частот. Можно видеть, как насыщенно-красные активные протуберанцы развиваются в высоту, чтобы опасть и исчезнуть спустя час-другой, а то и раньше. Это зрелище не лишено известного очарования.

А из чего же состоит корона, являющаяся самым внешним и самым протяженным слоем солнечной атмосферы и простирающаяся до 30–40 радиусов Солнца, а в годы активности еще дальше? Естественно, тоже из солнечного вещества, только еще сильнее нагретого (до 2 млн К), то есть полностью или почти полностью ионизованного и еще более разреженного, причем плотность и яркость короны быстро падают по мере удаления от Солнца. Долгое время спектральные линии короны представляли собой загадку, предполагалось даже наличие там неизвестного элемента «корония», пока наконец эти линии не были отождествлены с линиями многократно ионизованного железа, аргона, никеля, кальция и некоторых других элементов.

Что является причиной столь высокой температуры короны – до сих пор загадка, хотя предложено несколько вполне солидных гипотез для объяснения данного феномена. Согласно одной из них, корону нагревают ударные акустические волны, порожденные подфотосферной турбуленцией и распространяющиеся от поверхности Солнца. Другая винит пересоединения («короткие замыкания») магнитных силовых линий, направленных в противоположные стороны. Из-за этих «коротких замыканий» в корональной плазме начинают течь сильные токи, вполне способные разогреть плазму до 1 млн К. Тем не менее окончательного ответа пока нет. Есть лишь факт – и открытая проблема.

Корону в «Коронадо» и уж тем более сквозь закопченное стекло не увидишь – слишком уж мала ее яркость, примерно в миллион раз меньше яркости фотосферы. Корона видна невооруженным глазом лишь при полном солнечном затмении, а иначе – только с помощью специального прибора, внезатменного коронографа. Но если не воочию, то с помощью Интернета любой может увидеть свежие фото короны, сделанные космической солнечной обсерваторией SOHO.

Оговорка насчет полных солнечных затмений сделана не зря – солнечные затмения бывают полными и кольцеобразными (частные затмения, когда Луна затмевает лишь часть солнечного диска, рассматривать здесь не будем). Вся прелесть эпохи, в которую мы живем, заключается в том, что угловые размеры Луны и Солнца на земном небе практически равны между собой. Из-за эллиптичности земной и лунной орбит иногда бывает, что угловой диаметр Луны несколько больше углового диаметра Солнца, и тогда происходят (разумеется, лишь при строго линейном расположении Солнца, Луны и Земли) полные солнечные затмения, а иногда угловой диаметр Солнца превосходит лунный, и тогда могут быть лишь кольцеобразные солнечные затмения, когда Луна окружена ярким солнечным ободом, из-за которого никакой короны увидеть не удается. Естественно, наиболее интересны полные солнечные затмения.

Поскольку излучение Солнца идет со всего видимого диска, а не только из его геометрического центра, зона полного солнечного затмения сужается за Луной и на Земле не превышает нескольких сотен или даже десятков километров. Узкая полоса полной фазы затмения быстро бежит по поверхности Земли, предоставляя возможность наблюдать полную фазу лишь в течение нескольких минут или даже менее. Теоретически возможный максимум – семь с половиной минут, но и пять минут наблюдения полной фазы – очень хорошие условия, да и всего минута – уже повод для того, чтобы предпринять путешествие и насладиться редким зрелищем. Разумеется, в гораздо более выгодном положении по сравнению с земными наблюдателями находятся наблюдатели на борту специально нанятого самолета, летящего так, чтобы все время оставаться в зоне полной фазы. Увы, такое удовольствие доступно очень уж немногим. Кроме того, к великому сожалению, в ближайшие годы полные солнечные затмения будут происходить преимущественно в южном полушарии. Природа как бы компенсирует ему то обидное для наших антиподов обстоятельство, что в северном полушарии сравнительно недавно наблюдалось несколько очень хороших затмений…

Это действительно замечательное зрелище. Незадолго до наступления полной фазы, когда Солнце выглядит узеньким серпиком, природа как бы замирает в недоумении и испуге. Нередко проносится холодный ветер, вызывая смутную тревогу даже у подготовленных людей, а у животных – неадекватное поведение. В последние секунды перед наступлением полной фазы освещенность предметов убывает очень быстро – и вот последний краешек Солнца скрывается за лунным диском. Тут обычно раздается дружный вопль наблюдающих за затмением людей. Свидетельствую: не издать при этом никаких звуков довольно трудно. Картина потрясающая! Вокруг темного лунного диска сияет корона (рис. 27) – маленькая и аккуратная в годы минимума солнечной активности и большая, почти бесструктурная в годы максимума. В первые секунды после наступления полной фазы и за несколько секунд до ее окончания видно «бриллиантовое кольцо» – это свет Солнца пробивается к нам по распадкам лунных гор. Словом – красота.

Сфотографировать солнечную корону просто; получить изображение ее отдаленных от Солнца частей – гораздо труднее. Ведь уже на расстоянии, равном солнечному диаметру, яркость короны падает примерно в тысячу раз. Выход лишь один: снять серию кадров с различными выдержками и подвергнуть их компьютерной обработке. При этом может несколько пострадать правдоподобие изображения, зато выявится тонкая структура короны (рис. 28).

О солнечной атмосфере еще стоит сказать, что именно в ней генерируется большая часть радиоизлучения Солнца.

Рис. 27. Солнечная корона

Рис. 28. Тонкая структура солнечной короны

А вот где атмосфера кончается, сказать невозможно. Можно лишь провести какую-то условную границу, причем она будет все время варьировать в зависимости от солнечной активности. На практике корона на больших (свыше 15–20°) угловых расстояниях от Солнца фактически сливается с зодиакальным светом, что говорит о преимущественно пылевой природе внешней короны.

Если подумать, то так и должно быть. Пылинки, образующие зодиакальный свет (об этом ниже), по идее должны быть распределены более или менее равномерно, но вблизи Солнца они разрушаются горячей плазмой короны. На больших же расстояниях от Солнца плазма слишком разрежена, чтобы повредить пылинкам, и они остаются в целости и даже формируют внешнюю корону, хотя генетически не связаны с Солнцем.