ДОНАЛЬД Г. МЕНЗЕЛ
наше СОЛН ЦЕ
Солнце... Наши далекие предки приносили ему жертвы, слагали в его честь торжественные гимны, но ничего не знали о его истинной природе. Но вот дерзкий глаз ученого обнаружил на его сияющей поверхности темные образования — пятна. Было установлено, что Солнце вращается вокруг своей оси.
Взор человека проникал в тайны Солнца все дальше и дальше. Ученые узнали, что Солнце —это вечно кипящий океан раскаленных газов, из которого на сотни тысяч километров поднимаются огненные языки — протуберанцы. Теперь уже никого не повергают в трепет солнечные затмения. А было время, когда эти явления приводили людей в ужас.
' 0 Солнце —его расстоянии от Земли, размерах, массе; о солнечных пятнах и протуберанцах; об атмосфере и недрах Солнца; о влиянии Солнца на Землю; о том, как мы получаем сведения о процессах, происходящих на поверхности и в недрах лучезарного светила, рассказывает эта книга.
Жизнь на Земле обязана своим существованием Солнцу. Запасы энергии в виде залежей угля, нефти — результат деятельности Солнца. Но человек использует не только «ископаемые» запасы солнечного света. Разрабатываются методы «консервации» солнечного излучения, приходящего к нам сейчас. Свет Солнца используется и непосредственно — в солнечных печах. Этому в книге посвящена специальная глава.
Книга популярная, но написана на высоком научном уровне. Она будет доступна широкому кругу читателей и даст очень много ценных знаний о ближайшей к нам звезде.
ДОНАЛЬД Г. МЕНЗЕЛ
НАШЕ
СОЛНЦЕ
Солнце с большим количеством пятен, наблюдавшихся 14 августа 1947 г. Черные стрелки вверху и внизу обозначают северную и южную точки солнечного диска. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
ДОНАЛЬД Г. МЕНЗЕЛ
Перевод с английского
Э. В. К0Н0Н0ВИЧА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Москва 1963
523.8
М 50
DONALD Н. MENZEL
OUR SUN
Revised edition
HARVARD UNIVERSITY PRESS CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS 19 5 9
Дональд Г, Мензел
Наше Солнце
М., Физматгиз, 1963 г., 328 стр. с илл.
Редактор И. Е. Рахлин.
Техн, редактор X. Ф. Брудно.	Корректор Е. А. Белицкая.
Сдано в набор 8/Х 1962 г. Подписано к печати 26/XII 1962 г. Бумага'60X90/16.
Физ. печ. л. 20,5+1 вкл.	Условн. печ. л. 20,63.	Уч.-изд. л. 21,05.
Тираж 25000 экз. Цена книги 79 коп. Заказ № 446.
Государственное издательство физико-математической литературы.
Москва, В-71, Ленинский проспект, 15.
Московская типография № 5 Мосгорсовнархоза. Москва, Трехпрудный пер.
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
Необычайно быстрое движение вперед — вот что характеризует почти любую область современной науки. Если для выяс-нения причины солнечных затмений древним понадобилось много столетий, то для расщепления атома физикам XX в. оказалось достаточным несколько десятков лет. Не менее стремительно стали развиваться исследования космического пространства, особенно после первых успешных шагов по его освоеник> с помощью ракет, искусственных спутников и космических кораблей. В наше время каждый день несет что-то новое, постоянно* заставляя пересматривать, изменять или просто отвергать tov что еще вчера казалось известным и понятным. Но это вовсе не означает, что все добытое трудом ученых всякий раз полностью меняется. Почти каждое открытие, когда бы оно ни было* сделано, несет с собою хотя бы крупицу истины и оставляет неизгладимый след по крайней мере в истории науки. Вот почему крайне интересно не только узнать, как современная наука; представляет себе мир, но и как складывались эти представления.
Все это очень хорошо видно на примере того, о чем пишет в своей книге «Наше Солнце» известный американский астроном и астрофизик, директор Гарвардской обсерватории доктор Дональд Мензел. Это один из ученых-энтузиастов, непременный участник многих экспедиций по наблюдению солнечных затмений, один из пионеров применения в астрофизике новой теории строения атома, которая бурно развивается с начала нашего столетия и сразу же стала мощным оружием астрофизиков.
В свою очередь астрономы оказали большую услугу физикам. Открытие гелия, изучение спектров веществ в недоступных земным лабораториям условиях, например, в солнечной короне, в туманностях или в недрах звезд, вероятности различных элементарных атомных процессов — все это одинаково необходимо как а^тро-, так и «обыкновенным» физикам.
Это было началом одной из величайших коопераций современной науки, яркое проявление которой — сотрудничества
— 3 —
специалистов самых различных областей науки, начиная от географов и кончая астрономами во время Международного Геофизического Года, организованного в 1957—1959 годах.
В результате такой совместной работы ученых самых различных стран особенно много нового было обнаружено в сложной и весьма важной для человечества проблеме Солнце — Земля.
Буквально на наших глазах появились совершенно новые методы астрофизических исследований, такие как радиоастрономия, ракетная и баллонная астрономия. Сильно изменились представления о некоторых явлениях, происходящих на Солнце.
Хотя наивно было бы «гарантировать», что нынешние точки зрения бесспорны и уже больше никогда не будут подвергнуты серьезной ревизии, особенностью современных представлений является возможность перейти к широким обобщениям. Многие детали продолжают оставаться неясными, однако отдельные, прежде изолированные факты постепенно начинают объединяться в общую картину. Если еще несколько лет назад казалось невероятно трудным приступить к проблеме цикла солнечной активности, то сейчас есть надежда проникнуть вскоре в эту тайну.
Обобщая все то, что известно сейчас о Солнце, Д. Мензел не ограничивается одними узкими вопросами. По его собственному выражению, он «широкими мазками» рисует картину не только «панорамы солнечных явлений», но и всего, что с ними связано. Поэтому экскурсы автора в самые различные науки, начиная от физики и кончая историей, без сомнения, расширят кругозор, по-видимому, любого читателя и будут интересны специалистам самых различных областей.
«Наше Солнце» написано очень популярно, но в самом хорошем смысле этого слова, нисколько не в ущерб высокому научному уровню. Автор избегает «дешевой» популярности ради занимательности, которая неизбежно искажает научные результаты. Для него важнее всего точность, но не формальная, а по существу излагаемого вопроса. Книга очень понятна: самый не искушенный в вопросах физики читатель не заметит, как ему станут ясными многие сложные вопросы. Примеры и сравнения, хотя их и не всегда можно назвать вполне удачными, очень образны и безусловно правильны.
Вместе с тем стиль, насколько нам удалось не исказить его переводом, достаточно легок, чтобы не утомить читателя.
Автор старался учесть самые новые результаты исследований, довести книгу до «настоящего момента». Однако это было в 1959 г. С тех пор опять уже много обнаружилось нового. Мы попытались восполнить это рядом примечаний. Рисунок 156 (схема затмений для территории США) заменен другим, представляющим больший интерес для советского читателя.
Э. В. Кононова*
ПОСВЯЩЕНИЕ
За большой вклад в развитие исследований Солнца первое издание этой книги я посвятил моим хорошим друзьям и коллегам: Люсьену д’Азамбужа (Медон -ская обсерватория), Маргарите д Азамбужа (Медон-ская обсерватория), Даниэлю Барбье (Астрофизический институт), Даниэлю Шалонжу (Астрофизический институт) и, наконец, Бернару Лио (Медонская обсерватория и Пик дю Миди), трагическая смерть которого на пути из Африки после наблюдения солнечного затмения 25 февраля 1952 г. явилась тяжелой утратой для астрофизики.
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
Десять лет, прошедшие со времени первого издания этой -книги, оказались весьма плодотворными для солнечных исследований. Подъем телескопов и спектральных аппаратов на ракетах дал новые важные фактические данные. Наблюдения с помощью более совершенных коронографов и успехи теоретической интерпретации полученных результатов изменили многие прежние наши представления о Солнце и солнечной активности. Так, например, нельзя уже считать верным, что солнечные пятна — гигантские вихри, подобные земным циклонам. Наоборот, оказалось, что это наиболее спокойные области на поверхности Солнца, стабилизированные присутствием сильных магнитных полей. Самые неустойчивые участки солнечной атмосферы расположены вблизи пятен. Там струи горячих газов, несущие огромную энергию, поднимаются и нагревают солнечную корону до температуры, превышающей миллион градусов.
Встреча с Солнцем
Рассказ о Солнце не требует предисловия. Каждый день оно всходит и заходит в точках, которые весной смещаются к северу, а осенью отступают к югу. Положение Солнца на небе может быть определено с большой точностью на много тысяч лет вперед. Вследствие регулярности движения Солнца мы очень привыкли к нему.
В скалах застыли своего рода свидетельства проявления деятельности Солнца: окаменелости рассказывают о непрерывной истории жизни, начиная с самой первой ничтожной простейшей клетки, через разнообразные стадии эволюции к современной эпохе. Определение возраста гор представляется нелегкой задачей, основанной на учете скорости осаждения пород или на определении количества гелия и радиоактивного свинца, являющихся продуктами радиоактивного распада, образующимися вследствие так называемого «выгорания», которое происходит с известной постоянной скоростью. Современные методы позволяют обнаружить ничтожные следы различных атомов и получить большую точность измерений.
Согласно наиболее точным из них жизнь возникла более 500 000 000 лет назад. По крайней мере в течение
7
этого времени, а возможно, и гораздо дольше, Солнце излучало свет и тепло из своего кажущегося неистощимым запаса энергии. И мы можем быть уверены, что за все эти годы оно никогда не изменяло интенсивности своего свечения больше чем вдвое. В противном случае по ископаемым остаткам обнаружилось бы резкое нарушение непрерывности.
Имеем ли мы право предполагать, что Солнце будет светить вечно? Можем ли мы даже быть уверены, что завтра оно не начнет постепенно уменьшать свою обычную яркость или не взорвется с такой силой, что вся Земля разлетится на куски и испарится? Ведь Солнце — это только одна из тех сотен миллиардов звезд, которые составляют наш огромный Млечный Путь; среди них мы иногда встречаем примеры подобных катастроф, когда звезда неожиданно исчезает или взрывается. Можем ли мы быть уверены, что наше Солнце застраховано от подобного бедствия? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассмотреть само Солнце. Оно так же часто недооценивается, как и заботливость верного мужа. Необычайная регулярность его поведения приводит к тому, что мы забываем обращать на него большое внимание.
Но представьте себе на минуту, что произойдет, если Солнце вдруг исчезнет с неба! Земля погрузится в мрак, едва освещаемый светом только одних звезд. Луна и планеты также погаснут, ибо они светят только отраженным светом. Арктический холод охватит всю Землю. В течение недели тропики занесет снегом. Реки перестанут течь. Ветры прекратят дуть, и океан постепенно промерзнет до дна.
Человек, лишенный непосредственного солнечного тепла, если он раньше этого не понимал, внезапно откроет, что вода, ветер и сила приливов г) непосредственно зависят от Солнца. Другой источник энергии — растительность — перестанет произрастать. Человек не сможет существовать в таких условиях. Кое-где с помощью керосина, угля или дерева, запасы которых также получены непосредственно от Солнца, человек сможет лишь слегка, оттянуть свою неизбежную гибель. В то же время атмосферные газы начнут превращаться в жидкость и заморозят безжизненный мир, так как температура постепенно упадет до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Огромный ледник из твердого воздуха примерно в 7 метров толщиной покроет Землю.
Ледяная катастрофа представляется рано или поздно неизбежной, и Земля будет оставаться в таком состоянии до тех пор, пока она не столкнется с какой-нибудь блуждающей планетой или звездой и, превратившись в пар, совсем не прекратит своего
г) Явление морских приливов и отливов главным образом обусловлено притяжением Луны. Солнце оказывает меньшее приливное воздействие на океаны и моря, но большее — на приливы в атмосфере (Прим, перев.)
8
существования. То же самое произойдет, если само Солнце взорвется и станет новой звездой. Это может произойти потому, что на самом деле Солнце является своего рода «машиной», производящей и постоянно излучающей энергию. Более того, мы знаем, что запас энергии Солнца ограничен. Оно не может быть вечным двигателем. Вселенная развивается, и известные нам законы физики показывают, что уменьшение энергии — необратимый процесс. Горячее тело охлаждается, но остывшее тело, находящееся в холодной среде, само по себе не может стать горячим.
Из дальнейшего станет ясно, что Солнце производит свою энергию главным образом за счет превращения водорода в гелий. Когда запасы водорода, этого основного «топлива», почти истощатся, Солнце, вместо того чтобы охлаждаться, создаст другие временные весьма недолгие источники энергии, например ядер-ную реакцию с участием гелия. Вследствие этого температура на поверхности Солнца увеличится, и на Земле станет невыносимо жарко, прежде чем наступит неизбежная гибель жизни.
Не вдаваясь в более тщательное рассмотрение процессов, происходящих внутри Солнца, и исходя из постоянства его деятельности в прошлом, мы можем с некоторой уверенностью считать, что внезапное вымирание жизни весьма мало вероятно. Рисуя картину мира, лишенного Солнца, я вовсе не хотел запугать читателя. Мне хотелось только живее вскрыть значение Солнца и полную нашу зависимость от него. Вполне вероятно, что Солнце будет постоянно светить еще сотни миллионов лет в будущем. Проблема уменьшения света, излучаемого Солнцем, касается не нас, а самых отдаленных наших потомков.
Элементарные вычисления позволяют сделать вывод, что энергии в недрах Солнца хватит для поддержания его излучения на постоянном уровне в течение 50 000 000 лет. Из тех же рас-суждений можно сделать вывод, что солнечная энергия за 50 000 000 лет проходит путь от места своего возникновения до поверхности Солнца, где она излучается в пространство. Поистине, это скорость движения улитки — 15 метров в год, в то время как в «пустом» межпланетном пространстве свет распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду.
Солнце — непосредственный источник всех видов энергии за исключением приливов, вулканов, гейзеров и атомной энергии. Энергия воды уменьшается только вследствие постепенного испарения с поверхности озер и океанов. Ветры возникают из-за неравномерности нагревания солнечными лучами, так как наша Земля медленно поворачивается вокруг своей оси подобно жаркому на вертеле, одна сторона которого поджаривается, в то время как другая остывает. Энергия, выделяющаяся при страниц каменного угля, представляет собою преобразованный солнечный свет. Миллионы лет назад листья первобытных растений
— 9
поглотили некоторую долю солнечной энергии. Во время горения запасенное излучение выделяется.
Даже перечисленные выше в качестве исключения энергетические ресурсы, не зависящие от Солнца, на самом деле могут быть с ним связаны. Помимо того, что Солнце непосредственно частично вызывает приливы, оно косвенно способствует лунным приливам, поддерживая океаны достаточно теплыми, чтобы сохранить их в жидком состоянии. Внутреннее тепло Земли, приводящее к извержениям вулканов и гейзеров, хотя, возможно, и обусловлено радиоактивностью, отчасти может быть остатком прежнего расплавленного состояния. Земля и другие планеты могли возникнуть в результате какой-нибудь солнечной катастрофы. Чем же объяснить радиоактивность и наличие атомов, способных распадаться подобно урану? Разумеется, в настоящее время они не образуются на Земле в результате естественных процессов. Так же мало вероятно, что они сейчас возникают на Солнце. Скорее всего, они входили в состав вещества, из которого произошла солнечная система.
Я уже упоминал о внезапно угасающих или вспыхивающих звездах. Подробнее о них можно прочесть в книге Л. Кемпбелла и Л. Яккиа: История переменных звезд (издание Гарвардского университета, Кембридж, 1941). Это — так называемые катастрофические переменные. За несколько дней их яркость может измениться в 100 000 раз. Если же подвергнуть тонким исследованиям свет огромного количества звезд, то можно установить, что хотя и не большинство, но по крайней мере многие из них являются переменными. В стихах поэта Кингслея
Неизменность царит среди звезд, Вечер сменяет неизменное утро, Так неизменны вечные горы, Постоянство небес стерегущие, может быть, много поэзии, но заведомо мало науки. Изменение светимости звезды на 50% и даже больше не является чем-то необычным, а изменения порядка 1% —частое явление.
Солнце, возможно, также переменная звезда, хотя изменение его светимости не превышает 1—2%. Оно отличается замечательным постоянством количества излучаемого им света и тепла, а также неизменным характером видимого движения по небу.
Солнечная мифология
Постоянство Солнца уже давно было замечено древними народами, и это легло в основу многочисленных мифов. Почти все первобытные люди считали Солнце существом или, в некоторых случаях, огненным шаром, который кто-то неизвестный носит
- 10 -
по небу. Регулярность поведения Солнца при этом казалась загадкой. Только раб мог совершать это с такой надежностью. Но тогда, что заставило Солнце или его носителя служить людям? Многочисленные легенды, рассказывавшиеся почти всеми первобытными народами, старались это объяснить. Чаще всего считалось, что вначале Солнце блуждало. Иногда оно слишком торопилось на своем пути, а в иное время предавалось праздности. Порой оно очень близко подходило к Земле, а порой сильно удалялось. Иногда оно совсем не появлялось. Наконец, с боль: шими трудностями Солнце поймали в ловушку или сеть и привели в повиновение, после чего оно исполняло свои обязанности абсолютно регулярно.
Целый ряд мифов рассказывает о временном исчезновении Солнца с неба к ужасу всего мира. Порой это исчезновение умышленно и вызвано тем, что Солнце недовольно злом, творящимся на Земле. Возвращение происходит только после молитв, жертв и покаяния. В других легендах Солнце насильно похищают и заточают в тюрьму. Его освобождение требует геркулесовых усилий некоторых людей и животных. Часть этих мифов порождена солнечными затмениями. Другие, возможно, обусловлены наступлением темноты вследствие плохой погоды или облаками вулканического пепла и пыли, ибо во многих сказаниях продолжительность темноты исчисляется днями или неделями. Быть может, некоторые легенды относятся к отдаленному периоду истории, когда на Солнце происходили изменения значительно большие, чем сейчас. Сильное влияние этих легенд на первобытных людей, возможно, было связано со страхом, что Солнце может внезапно и катастрофически исчезнуть с неба. Первобытные люди не считали, что Солнце дается даром!
Нет необходимости перечислять подробности различных мифов. Вполне понятно, что древние обожествляли небесные тела и силы природы. Первобытные представления имеют незначительный научный интерес. Однако мифы и легенды древних — это своего рода ранняя наука. Эти истории представляют собой стремление пытливых и любознательных умов объяснить загадочные явления природы. Данные наблюдений были весьма ограничены, но тем не менее они тщательно изучались.
Древних особенно интересовало, как Солнце за ночь возвращается к восточной части горизонта. Они предполагали, что существуют многочисленные способы передвижения и различные дороги. Наиболее драматичен рассказ египтян. Они воображали, что ночью Солнце проплывает через пещеры внутри Земли, где каждый раз оно должно было сражаться с дикими чудовищами и демонами, стремившимися задержать Солнце и его спутников.
- И -
Рис. 1. Дольмены в Англии. Часть храма друидов, посвященного Солнцу. За аркой виден Солнечный Камень, над которым Солнце восходит в начале лета. (Снимок сделан сотрудником Американского Музея естественной истории Чарлзом Г. Колзом.)
Эскимосы думали, что оно плавает вокруг северного горизонта, и появление лучей полярного сияния приводили в доказательство того, что Солнце находится где-то поблизости. Этот аргумент представляет собою изумительный пример «научного» обоснования примитивного мышления.
На протяжении большей части той истории человечества, от которой до нас дошли лишь отдельные отрывочные сведения, мы находим поклонение Солнцу и его обожествление. Поклонение Солнцу было настолько же естественно, насколько и неизбежно. Регулярность появления Солнца и его благотворное влияние на все живущее были очевидным результатом наблюдений. Поклонение Солнцу или его земному подобию — огню являлось простым признанием благотворных и совершенных свойств света и тепла. Создавались целые религиозные системы, основанные на желании человека контролировать или влиять на столь могучую силу.
12 -
О большой распространенности поклонения Солнцу, существовавшего в ранние библейские времена, свидетельствуют многочисленные записи, запрещающие культ Солнца. Моисей учил народ Израиля: «...и дабы ты, взглянув на небо и увидев Солнце, Луну, звезды и все воинство небесное, не прельстился и не поклонился им и не служил им...».
Крест, который в качестве религиозного символа давно приняли последователи христианства, не что иное, как эмблема Солнца, изображающая солнечные лучи. Крест встречается во многих видах. Часто само Солнце обозначается кружком в пересечении лучей, как, например, в так называемом кельтском кресте. Символ свастики с загнутыми концами изображает Солнце, катящееся по своему годичному пути на небе.
Первобытная наука о Солнце
Интересно отметить, что весь огромный фольклор, связанный с Солнцем, почти не содержит подлинно научных проблем. Древние вавилоняне и халдеи производили многочисленные астрономические наблюдения, главным образом определяя положения звезд и движения Солнца и планет, но никаких важных обобщающих выводов из этих наблюдений они не сделали, правда, за исключением одного вопроса, достойного внимания: уже с 747 г. до н. э. начали составлять таблицы солнечных и лунных затмений. Значит, к тому времени они обладали общим представлением о природе затмений и, возможно, даже могли их предсказывать. Все же высказать идею об универсальных законах природы, на которых основана вся современная наука, выпало на долю греков.
Олицетворение Солнца, звезд и планет отнюдь не было символическим, и мифы не создавались только для развлечения или мистерий. (Для более подробного ознакомления с солнечной мифологией см. В. Т. О л ь к о т т, Сказания о Солнце во все времена, Путнам, Нью-Йорк, 1914.) Даже у Треков мифы пользовались таким всеобщим признанием, что мало кто посмел бы усомниться в истинности того, что в них рассказывалось. Когда около 434 г. до н. э. Анаксагор высказал предположение, что Солнце — это не Феб-Аполлон, а масса раскаленного камня размером с Пелопонесс, его арестовали, обвинив в оспаривании того, что установлено религиозными догмами. Хотя красноречие его друга Перикла и спасло Анаксагору жизнь, все же он навсегда был изгнан из Афин.
Рассуждение, приведшее Анаксагора к столь неправильной оценке размеров Солнца, по всей вероятности, было научным, хотя это предположение в значительной мере основано на догадке.
13 -
Рис. 2. Культ Солнца у египтян. Одним из догматов египетской религии! было обожествление Солнца, изображенного вверху справа. Оно посылает животворящие лучи жителям Земли. На концах лучей — нечто вроде кистей человеческих рук; в двух из них — египетский символ жизни, нечто вроде перевернутой буквы Т с прикрепленным к ней овалом. Некоторые авторы считают, что христианский крест также является символом CojfHna, возможно, возникшим из этого египетского «ключа» жизни». (Музей Метрополитен, Нью-Йорк.)
Можно полагать, что если Анаксагор определил размеры Солнца, он также знал, или думал, что знает, расстояние его от Земли. Как и большинство людей в ту эпоху, Анаксагор полагал, что Земля плоская. Очевидно, он воспользовался для определения расстояния до Солнца хорошо известным даже в те древние времена фактом, что высота Солнца над горизонтом меняется с местом наблюдения. Теперь нам известно, что этот эффект является следствием кривизны земной поверхности. Перемещение вдоль поверхности Земли на каких-нибудь ПО километров, что составляет 1/зв» окружности Земли, приводит к кажущемуся смещению
Рис. 3. Геометрические рассуждения Анаксагора. Считая Землю плоской, Анаксагор измерял углы А и В (правый чертеж), полагая, что таким способом он измерил расстояние до Солнца методом триангуляции. Земля фактически выпуклая (левый чертеж), так что углы А и В зависят от кривизны. Ввиду чрезвычайной удаленности Солнца оба направления на него почти параллельны.
Зенит Зенит
3лаская Земля
небесных тел на один градус. Хотя Анаксагор не знал правильного объяснения этого явления, он вполне логично рассуждал, что это кажущееся смещение является следствием конечных расстояний до небесных тел, а потому может быть использовано для триангуляции вселенной (рис. 3). Эти соображения и могли привести его к выводу, что расстояние от Солнца до поверхности Земли составляет около 6000 км, а диаметр Солнца около 60 км, т. е. что оно чуть меньше южного полуострова Греции. Несмотря на ошибочность этих выводов, они знаменуют собой несомненный шаг вперед в представлениях людей о Солнце.
Однако Анаксагор не был первым из тех, кто способствовал развитию науки о Солнце. Часто говорят о Фалесе из Милета, который предсказал солнечное затмение в шестом веке до нашей эры, хотя теперь этот рассказ считается весьма сомнительным. Так или иначе, Фалесу, по-видимому, было известно, что Луна имеет форму шара и светит отраженным солнечным светом. Более того, он высказал идею, что небесные тела движутся в соответ
15 -
ствии с неизменными законами. Непосредственным продолжателем Фалеса был Пифагор, знаменитый своей общеизвестной теоремой о квадрате гипотенузы. Философы-пифагорейцы дали нам первую модель солнечной системы, в которой Земля представляется планетой, движущейся вокруг центрального тела. Однако согласно их учению этим телом было не Солнце, а невидимый «центральный огонь», существование которого они постулировали, исходя из соображений скорее мистических, чем научных. Точные соображения Пифагора по этому вопросу нам неизвестны, ибо история приписывает создание описанной модели ученику пифагорейской^школы Филолаю, жившему лет через 75 после Пифагора.
Идеи Фалеса, Пифагора и Анаксагора не получили широкого признания. Иную картину вселенной нарисовал Аристотель. Этот великий философ, живший в четвертом веке до н. э., считал, что Солнце представляет собою чистый огонь, равно как и чистые и неоскверненные звезды и планеты, совершенно не похожие по своим свойствам на Землю. Хотя взгляды Аристотеля были дальше от истины, чем взгляды более ранних философов, они имели значительно большее влияние. С падением Римской империи в Европе в течение около тысячи лет все науки находились в полном упадке.
После возрождения наук в Европе данная Аристотелем картина мира получила всеобщее признание; ее влияние продолжалось фактически почти в течение 20 столетий вплоть до самого рождения современной астрономии. Если бы взгляды Аристарха или Гиппарха получили столь же широкое распространение и всеобщее* признание, как и взгляды Аристотеля, возрождение в области науки могло бы начаться значительно раньше, потому что идеи Аристарха и Гиппарха значительно ближе подходили к современным представлениям о вселенной и солнечной системе. В третьем веке до н. э. Аристарх отчетливо представлял себе, что планеты, в том числе и Земля, движутся вокруг находящегося в центре Солнца; по существу, это совпадало с системой, разработанной Коперником в 1543 г. н. э. Аристарх знал, что Земля имеет форму шара. Далее, он обнаружил, что смена дня и ночи происходит вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Он попытался вычислить истинные размеры и расстояния от Земли до Луны и до Солнца. Хотя его результаты далеки от истинных значений, примененные им методы были научно обоснованы; неудача произошла исключительно из-за невозможности произвести точные наблюдения с помощью имевшихся в то время грубых инструментов. Аристарх получил, что Солнце приблизительно в 19 раз дальше от нас, чем Луна. Подобным же образом он получил заниженное расстояние до Луны; в конечном итоге расстояние до Солнца у него получилось равным около 1 160 000 кило
76 -
метров, что меньше действительного почти в 130 раз. Даже этого было достаточно для Аристарха, чтобы решить, что Солнце по крайней мере не меньше Земли. По-видимому, он считал, что звезды —это далекие солнца.
Во втором веке до н. э. Гиппарх, часто именуемый отцом современной астрономии, лучше всех древних астрономов определил расстояние от Солнца до Земли. К сожалению, он придерживался геоцентрической, а не гелиоцентрической системы; однако это не помешало ему измерить объем Луны и расстояние до нее, а также приближенно определить диаметр Земли, которую он считал шарообразной. Помимо этого, он разгадал истинную природу затмений.
Метод Гиппарха определения расстояний до Луны и Солнца был вполне правильным. Схематически на рис. 5 Е изображает Землю, М—Луну и S—Солнце. Во время лунного затмения по кривизне тени, Землей на поверхность Луны, он точно вычислил размер конуса тени Земли на
расстоянии Луны. Таким образом, на чертеже он смог в масштабе изобразить круги, представляющие Землю и Луну, а также поперечное сечение тени Земли ВС. Далее, он провел касательные к Земле линии BD и CF и продолжил их вправо. Зная угол А, под которым Солнце видно с Земли, и продолжив его стороны до пересечения с продолжениями касательных в точках Р и Q, он одновременно получил диаметр и расстояние до Солнца.
Слабая сторона этого метода (не по вине Гиппарха) состоит в том, что ES много больше ЕМ, настолько, что линии BDP и АР пересекаются под таким малым углом, что весьма трудно определить точное положение точки Р. По-видимому, Гиппарх представлял себе эти трудности и применил свой метод для повторного определения расстояния до Луны, получив вполне точное
Рис. 4. Определение Аристархом расстояния до Солнца. Когда Луна находится в точке А, наблюдается в точности первая четверть At (половина круга светлая). Когда же Луна в точке В и направление на нее составляет угол ровно 90° с направлением на Солнце, фаза Луны — между второй четвертью и полнолунием (Вх). Чем Солнце дальше, тем угол С между двумя положениями А и В меньше. Аристарх считал, что угол С меньше 3°; в действительности он почти в 20 раз меньше (около 9 минут). Расстояние АВ Луна проходит за каких-нибудь 12 минут, тогда как Аристарх полагал, что на это уходит около 4 часов. (Диаграмма любезно предоставлена журналом «Популяр сайнс».)
2 Наше Солнце
- 17 -
значение. Далее, он использовал старый вывод Аристарха, что Солнце по меньшей мере в 19 раз дальше от Земли, чем Луна, заново вычислив размер Солнца и его расстояние от Земли. Так Гиппарху удалось показать, что Солнце по крайней мере в семь раз больше Земли.
Полученные Гиппархом оценки размеров Солнца и его расстояния от Земли оставались в основном без изменения вплоть
до 1620 г., когда Кеплер произвольно
Рис. 5. Теория Гиппарха. Диаграмма изображает (не в масштабе) условия полного лунного затмения. Луна М находится в конусе тени Земли Е. S — Солнце.
увеличил их в три раза. Основания, которые послужили для этого изменения, остаются неясными. Отчасти оно требовалось наблюдениями великого учителя Кеплера — Тихо Браге, но возможно, здесь Кеплер отдал дань науке о числах, которую, к сожале-
нию, он признавал. Около 1650 г. Риччиоли снова увеличил расстояние до Солнца вдвое, а Венделен предлагал его учетверить, что, однако, не было принято.
В 1672 г. знаменитый астроном Кассини установил нижний предел расстояния до Солнца, который отличается от современного значения не более чем на 10%, что блестяще подтвердили
наблюдения прохождения Венеры по диску Солнца в 1761 и 1769 гг. Так, после очень многих лет, наконец, были изменены
оценки Гиппарха. Но какие другие научные выводы, хотя и справедливые сами по себе, выдержали испытание временем в течение 1700 лет?
В начале XVII столетия Галилей изобрел телескоп и обнаружил пятна на Солнце. Но о нем мы расскажем несколько позже: необходимо закончить важный вопрос о расстоянии от Земли до Солнца, от которого зависят все наши сведения о размерах в солнечной системе и в мире звезд.
Расстояние до Солнца
Существует множество более или менее хороших способов определения расстояния от Земли до Солнца; мы рассмотрим лишь немногие из них. Поскольку орбита Земли имеет несколько эллиптическую форму, фактическое расстояние Земли от Солнца день ото дня меняется. Поэтому под средним расстоянием от Солнца мы подразумеваем большую полуось эллипса (рис. 6). Теоретически способ определения этого расстояния очень прост. Он основывается на применении элементарной геометрии и тригономет
- 18 -
рии и подобен тому, как наблюдатель на Земле определяет расстояние до недоступной точки, например, на другом берегу озера. Предположим, что наблюдатель в точке А хочет определить расстояние АВ (рис. 7). Он выбирает какую-нибудь удобную третью точку С, определяет расстояние АС и измеряет с помощью теодолита углы А и С. Это дает возможность определить угол В, так как сумма всех углов треугольника равна 180°. Далее, с помощью тригонометрии или чертежа и простых соотношений можно вычислить требуемое расстояние АВ.
Этим способом мы непосредственно пользуемся при решении астрономических задач. Пусть А и С — два пункта на поверхности Земли, а В — центр небесного объекта, расстояние до
Рис. 7. Метод триангуляции для определения расстояния. («Популяр сайнс>.)
Рис. 6. Схематическое изображение эллипса земной орбиты. Солнце находится в одном из фокусов эллипса.
которого мы определяем. Предположим, что расстояние АС уже измерено. Углы 4, Си В получаются из наблюдений, а искомое расстояние — из расчетов. Чем длиннее базис АС, тем точнее определение расстояния (объяснение этого см. в подписи к рис. 8).
Этот способ прекрасно применим к близким объектам. Предположим, например, что наблюдатель в точке А (рис. 9) определяет кажущееся положение Луны на фоне далеких звезд и то же самое делает наблюдатель в точке С на противоположной стороне Земли. Луна, наблюдаемая из этих двух точек, займет относительно звезд два положения, отличающихся между собою почти на 2°, или почти на четыре лунных диаметра. Половина отмеченного стрелкой угла АВС по определению называется параллаксом. Параллакс Луны равен 57' дуги, что соответствует расстоянию немногим менее 400 тысяч километров. Этот угол*, можно измерить даже сравнительно грубыми инструментами,, следовательно, древние могли бы иметь довольно хороший способ определения расстояния от Земли до Луны. Применение этого основного метода к определению расстояния до Солнца не
— 19 —
2*'
приводит к успеху по двум причинам. Во-первых, в случае Солнца угол В в 400 раз меньше, чем для Луны; поэтому требуется гораздо большая точность измерений. Но основным препятствием
Рис. 8. Роль ошибок при определении расстояний. Измерение угла не может быть абсолютно точным. На нижнем чертеже по две линии, проведенные из точек А и С, дают пределы ошибок в определении угла. Вследствие неточности измерений расстояние до предмета заключено между расстояниями до точек В и Вг. То же самое на верхнем чертеже. Однако в этом случае базис АС меньше. Соответственно увеличивается возможная ошибка определения положения объекта, находящегося между В и Въ («Популяр сайнс».)
является то, что днем не видно звезд и, следовательно, отсутствуют точки фона, относительно которого производятся наблюдения; приходится прибегать к косвенным методам.
Не измеряя отдельных расстояний, довольно легко вычертить в масштабе схему солнечной системы. Так, на-
пример, из наблюдений известно, что Венера никогда не удаляется от Солнца больше чем на 45°. Это соответствует картине, изображенной на рис. 10. Теперь, вспомнив свойства прямоугольного равнобедренного треугольника, легко найти, что расстояние В составляет
около 0,7 расстояния А. Отсюда, если радиус земной орбиты принять за единицу, то расстояние от Венеры до Солнца составит 0,7. Нетрудно таким же способом вычертить орбиты всех остальных планет. Теперь задача сводится к определению масштаба нашей схемы. Можно найти
Звмля
Рис. 9. Триангуляция Луны.
этот масштаб, измерив длину какой-либо одной линии схемы, например расстояние от Земли до Венеры, и получить результат не хуже, чем из непосредственных измерений расстояния от Земли до Солнца.
Это косвенное определение расстояний сильно упрощает задачу.
Во-первых, когда Венера ближе всего подходит к Земле, расстояние до нее значительно меньше, чем до Солнца. Иногда Венера располагается в точности между Землей и Солнцем, когда происходит так называемое прохождение Венеры по диску Солнца. Во время этих явлений астрономы пользуются для опре-
- 20 -
Рис. 10. Определение расстояния до Венеры.
Рис. 11. Орбиты внутренних планет.
деления расстояния до Солнца кажущимся положением планеты на его диске, который, таким образом, играет ту же роль, что и звездный фон, хотя и следует при этом учесть, что Солнце несравненно ближе звезд. Хорошим способом определения параллакса Солнца является наблюдение прохождения Венеры по его диску, производимое из двух удаленных пунктов земной поверхности. Полученные таким путем результаты в течение многих лет принимались в качестве стандарта расстояния. Но, к сожалению, прохождения Венеры по диску Солнца — весьма редкое явление. Два последние были в 1874 и 1882 гг., а следующие будут только 8 июня 2004 г. и 6 июня 2012 г.
Для определения расстояния до Солнца использовались также наблюдения Марса и астероида (малой пла-
неты) Эрос, который в наиболее благоприятные моменты проходит от Земли на расстоянии приблизительно 22 миллиона километров, т. е. более чем в 2х/2 раза ближе, чем Марс. Это обстоятельство наряду с тем, что Эрос виден как звезда, дает возможность точно определить его положение относительно звезд фона. Наблюдения Эроса являются одним из лучших из имеющихся в настоящее время способов определения расстояния от Земли до Солнца. Наблюдения Марса легли в основу указанной выше попытки Кассини в 1672 г. измерить солнечный параллакс. С помощью рис. 11 можно вычислить радиус земной орбиты, коль скоро известно расстояние ab или cd.
Существуют и другие методы, один из которых особенно прост. Как будет объяснено ниже, с помощью спектроскопа можно легко измерить скорость движения любого небесного объекта
в направлении к наблюдателю или от него. На рис. 12 справа изображена орбита Земли, причем Д, В и С — три различных положения Земли. Теперь предположим, что с помощью спектроскопа измерены скорости вдоль луча зрения ряда звезд, £), расположенных в противоположной Солнцу части неба, когда Земля находится в точке В. Можно полагать, что скорости их собственных движений в среднем близки к нулю, ибо, вообще говоря,
— 21 -
они хаотически направлены во все стороны. Одни из них движутся от наблюдателя (тогда лучевую скорость считают положительной), другие — к наблюдателю (скорость отрицательна). Когда Земля находится в точке В, движение наблюдателя происходит поперек луча зрения. Спектроскоп не обнаружит никакого дви-
жения, так как он регистрирует скорости только вдоль луча зрения. Если теперь рассмотреть то, что наблюдалось на три месяца раньше, когда Земля была в точке Л, то обнаружится кажущееся движение звезд, направленное к Земле со скоростью около 30 километров в секунду. Точно так же, когда Земля пере-
местится в точку С, будет казаться, что звезды удаляются со сред-
Рис. 12. Спектральное определение расстояния до Солнца.
ней скоростью, также равной 30 км/сек. Фотографии спектров, по которым можно определить эти скорости, даны ниже, на рис. 33. Это кажущееся движение звезд то к Земле, то от нее происходит вследствие движения самой Земли по
своей орбите со скоростью 30 км/сек. Теперь, если умножить 30 (точнее, 29,8) км/сек на число секунд в году, получится путь, проходимый Землей за год, или длина земной орбиты. Наконец, разделив полученное число на 2л (л =3,1416), получим радиус земной орбиты.
Д-р Джеральд Клеменс, издающий в обсерватории Военно-морского флота США «Наутикл альманах» х), сообщил мне, что
результаты, полученные так называемым «динамическим методом», лучше, чем тригонометрические или спектральные определения. Динамический параллакс получается в результате тщательного изучения движений планет и, в частности, Луны. Гравитационные притяжения Солнца и Земли постоянно «ведут» непрерывную «борьбу» между собою за «обладание» Луной. Это обстоятельство косвенным образом позволяет измерить расстояние до Солнца. При этом считается, что результат получается значительно более точный, чем может дать любой непосредственный метод измерения. Согласно Рейбу параллакс Солнца составляет 8",7984, что соответствует расстоянию 149 530 000 километров с возможной сшибкой около 20 000 км* 2). Это число, действительно, трудно себе представить, настолько оно велико. Доста
’) Американский астрономический ежегодник. (Прим, перев.)
2) Выполненные в 1961 г. в Советском Союзе работы по радиолокации Венеры позволили получить еще более точное значение расстояния от Земли до Солнца (так называемой астрономической единицы), а именно 149 457 тысяч км с возможной ошибкой меньше 5000 км. (Прим, перев.)
- 22 -
точно сказать, что летчику, совершающему непрерывный полет со скоростью 800 км/час, потребовался бы 21 год для преодоления подобного расстояния. Даже со скоростью искусственного спутника Земли, составляющей 7,9 км/сек, он долетел бы до Солнца только через 8 месяцев.
Коль скоро известно расстояние, легко вычислить и размеры Солнца. Угол на небе, под которым мы видим диаметр Солнца, немногим больше половины градуса. Сигарета диаметром в х/2 сантиметра, направленная в сторону Солнца, как раз закрывает весь его диск, если находится на расстоянии полметра от глаза. Диаметр Солнца составляет 1/107 от его расстояния до Земли или 1392 тысячи километров.
Масса Солнца
Рис. 13. Определение массы Земли.
Несколько труднее оценить массу Солнца, т. е. количество вещества, входящего в его состав. Первым делом для этого нужно определить величину силы притяжения, как известно, возникающей между любыми двумя массами. Принцип этого определения поясняется рис. 13. Две одинаковые известные массы А и В подвешены на противоположных концах коромысла очень чувствительных весов. Третье тело С, масса которого также известна, помещено под телом Д. Взаимное притяжение между Л и С заставляет А опуститься вниз, так что необходимо к массе В добавить очень небольшую, но измеримую массу D для восстановле
ния равновесия. Поскольку сила, с которой вся Земля притягивает тело D, равна взаимному притяжению между Л и С, можно определить массу Земли, которая оказывается равной 6,59-1021 тонн. Для определения массы Земли существует множество других методов; некоторые из них позволяют получить значительно большую точность, чем только что описанный способ, однако все они основаны на том же принципе.
Земля по своей орбите движется примерно так, как если бы невидимая нить соединяла ее с Солнцем. Действительно, гравитационное притяжение подобно натяжению нити, так что Земля все время движется к Солнцу, вместо того чтобы «улететь» по прямой линии, что будет, если нить оборвется. Можно сказать, что, двигаясь вокруг Солнца, Земля все время «падает» на него.
— 23 -
Этому падению соответствует отклонение ее орбиты от прямой линии, составляющее около 3 мм в секунду (рис. 14). Еще со времен Галилея известно, что на поверхности Земли в первую секунду своего падения всякое тело проходит 4,9 м. Расстояния
3 мм и 4,9 м прямо пропорциональны соответствующим гравита-
ционным ускорениям, т. е. силам, действующим на единичную
Рис. 14. Влияние силы тяготения на
Солнце
массу со стороны Солнца на расстоянии Земли и Земли на ее поверхности. Отсюда, зная, что гравитационное ускорение прямо пропорционально массе и обратно пропорционально квадрату расстояния от центра тела, можно легко вычислить, что масса Солнца в 329 390 раз больше
массы Земли. Воспользо-
движение Земли. Если А С представляет путь, пройденный Землей за 1 секунду (30 км), отклонение от прямой линии ВС составляет всег 3 мм.
вавшись значением массы Земли, полученным выше, находим, что масса Солнца составляет 2,24-1027 тонн. (Полностью это можно за-
писать, как 2 240 000 000 000 000 000 000 000 000 тонн. Впредь мы будем пользоваться сокращенной записью: 1027 определяет число, записанное единицей с последующими 27 нулями; для получе-
ния конечного результата на него следует умножить первое число. Так, 102— сто; 106— миллион. Очень малые числа выражаются отрицательными показателями, например 6,32-10-6= =6,32/106 = 6,32/1 000 000=0,00000632.)
Теперь можно вычислить среднюю плотность Солнца, т. е. его массу, поделенную на массу воды, занимающей тот же объем. Поскольку один кубический сантиметр воды весит один грамм, мы просто должны разделить массу Солнца (в граммах) на его объем (в кубических сантиметрах). Получим в результате 1,42. В среднем некоторый объем солнечного вещества должен весить приблизительно столько же, сколько ком битумного угля, занимающего тот же объем. Внутренние слои Солнца значительно более сжаты и к центру достигают плотности 771), что почти в 10 раз больше плотности стали. Плотность внешних слоев соответственно меньше средней. В следующей главе будет рассказано о деталях структуры этих поверхностных слоев.
*) Согласно более новым данным, плотность в центре Солнца около 130 г!см3. (Прим, перге.)
2
Панорама солнечных явлений
Видели ли вы когда-нибудь Солнце? По-настоящему, со всеми сложными подробностями? Конечно, все мы знаем, что где-то там в небе находится сверкающий источник света, от которого болят глаза, если случайно мы взглянем прямо на него. Но, вероятно, вы никогда не видели его по-настоящему. Когда небо частично покрыто облаками или Солнце близко к горизонту, мы видим его круглый диск, но почти без деталей. Изредка можно заметить невооруженным глазом группу пятен, если они особенно велики. В древних китайских летописях имеется много записей, в которых упоминается о том, что часть солнечного диска была покрыта пятнами. Однако группы пятен такого размера очень редки, и большинство пятен мсжно обнаружить только с помощью телескопа.
Как наблюдать Солнце?
Никогда не смотрите на Солнце, не защитив предварительно глаза! Чаще всего употребляют очень темные очки, кусок сильно закопченного стекла или засвеченную фотопленку. Лучше всего взять два наложенные
~ 25 -
друг на друга поляроида; вращая один из них относительно другого, можно точно подобрать желаемую яркость.
Всякий фильтр меняет цвет солнечного излучения. Поэтому желательно иметь простой и эффективный способ ослабления •света без применения фильтров. Возьмите 2—3 кусочка плоского стекла или неамальгамированного зеркала. Поместите один из этих кусочков на стул против Солнца. Отраженное его изображение все еще будет слишком ярким. Но отражение этого изображения во втором или в третьем куске стекла, вообще говоря,
уже значительно менее яркое и пригодно для детального рассмотрения. Удобнее воспользоваться непосеребренной пентапризмой (рис. 15), в которой солнечный свет ослабляется в результате отражения от двух граней. Такую призму можно употреблять при работе с телескопом.
Такой эксперимент вполне стоит проделать, так как в результате получится ясное представление о видимом диаметре Солнца. Он оказывается гораздо меньше, чем многие могут себе представить по случайному наблюдению. Кроме того, в результате можно заметить серебристый цвет солнечного излучения. Большинство людей видело диск Солнца близ горизонта,
когда вследствие поглощения в толстом слое находящегося на пути солнечного света воздуха он кажется красным. Поэтому обычно полагают, что Солнце оранжевое или, может быть, «золотое». На самом деле солнечный свет белый или почти белый.
Отверстие, проколотое булавкой, может служить проектором, особенно если наблюдать изображение Солнца внутри затемненной комнаты. Изображение диаметром в 1 см получается на листе белой бумаги, если его держать на расстоянии 1 м от отверстия. На этом изображении ясно видны большие группы пятен. Однако если имеется любой простой оптический прибор, например, телескоп, полевой бинокль или даже скромный театральный бинокль, не возитесь со сравнительно мало эффективной булавочной дырочкой. С помощью темного стекла, помещенного перед линзой, можно легко непосредственно увидеть Солнце и все особенности его поверхности. Однако будьте очень осторожны, пользуясь темным стеклом, ибо если прямо взглянуть на Солнце без него, можно очень сильно испортить глаза.
Часто астрономы применяют также и другой метод наблюдений. Сфокусируйте^один из описанных выше инструментов
- 26 -
на белый экран, помещенный на расстоянии около полуметра за окуляром. Полученное таким образом увеличенное действительное изображение Солнца можно прямо рассматривать. Другой экран с отверстием для объектива нужно поместить перед телескопом так, чтобы он отбрасывал тень на первый экран.
Любитель легко может сфотографировать Солнце, если у него есть небольшой телескоп и фотокамера с искателем, все равно, прямого зрения или отражательным. Прикрепите фотокамеру прямо к окулярному концу телескопа или поставьте ее на штатив позади окуляра на продолжении направления трубы. Если возможно, вывинтите объектив фотокамеры. Перемещением окуляра сфокусируйте изображение на матовом стекле видоискателя. Для уменьшения яркости солнечного изображения вставьте светофильтр (темно-желтый или оранжевый). Затем производите •съемку обычным способом. Лучше, если шторка затвора сделана из металла, чем из каучука или другого горючего материала, который может расплавиться и даже сгореть в фокусе солнечных лучей. В качестве меры предосторожности прикрывайте объектив и открывайте его только в момент экспозиции.
Если у вашей камеры нет приспособления для визуальной фокусировки, придется найти точный фокус, сделав несколько пробных снимков. Прикрепите фотокамеру без объектива к окулярному концу телескопа, снабженному шкалой, позволяющей отсчитывать и устанавливать фокус.
На рис. 16 приведена фотография установки покойного Вильяма М. Керона из Фол Ривер, Массачусетс. На других •страницах нашей книги помещены некоторые его фотографии, полученные с этой солнечной камерой. Многие любители регулярно посылают ежедневные свои снимки Солнца в Цюрих ^(Швейцария)— центр хранения подобных документов. Секция Американской ассоциации наблюдателей переменных звезд также уделяет внимание явлениям, происходящим на Солнце.
Какой-нибудь телескоп совершенно необходим учащемуся, •если он пожелает наблюдать даже самые обычные явления на поверхности Солнца. Можно легко и дешево сконструировать простой, но эффективный инструмент из двух линз, сделав для них картонную защитную трубу. Для первой линзы, образующей изображение (объектив), возьмите простое выпуклое очковое стекло. Попытайтесь достать стекло в 1,5 диоптрии. Тогда изображение Солнца получится с помощью этой линзы на расстоянии 1/1,5 метра или около 67 см. Вмонтируйте-объектив прочно в один из концов трубы. В качестве окуляра лучше всего использовать двухлинзовую 10-кратную лупу (фокусное расстояние около 2,5 см). Укрепите эту лупу на одном конце трубы с несколько
- 27 -
меньшим диаметром так, чтобы ее легко можно было вставить в первую трубу.
Принцип устройства этого телескопа изображен на рис. 17. Объектив образует действительное перевернутое изображение Солнца, которое можно рассматривать с помощью лупы-окуляра. В сущности говоря, смотреть нужно не «сквозь телескоп», а только на изображение, создаваемое первой линзой. Такого типа инструмент, в котором лучи сводятся в фокус с помощью
Рис. 16. Слева: Вильям М. Керон у небольшого телескопа, приспособленного для фотографирования Солнца. Справа: другая установка с камерой на треноге.
объектива-линзы, называется рефрактором. Описанная нами простейшая конструкция не вполне удовлетворительна, но солнечные пятна и лунные кратеры видны в него вполне отчетливо. Трудность возникает в связи с тем, что линза действует как призма и по-разному отклоняет лучи различных цветов, а именно, голубые сильнее, чем красные. Поэтому когда мы фокусируем окуляр на лучи какого-нибудь одного цвета, остальные оказываются несколько не в фокусе.
Роль этого явления можно значительно уменьшить, если взять объектив, состоящий из двух или более линз, изготовленных из различных сортов стекла. Можно пойти по другому пути и вместо выпуклой линзы использовать для фокусировки лучей
- 28 -
телескоп-рефлектор, объективом которого является вогнутое зеркало. Обычно зеркало серебрят снаружи или напыляют на него тонкий слой алюминия. Однако для наблюдений Солнца часто употребляют несеребренное зеркало, чтобы уменьшить яркость изображения Солнца. Каким бы методом вы ни пользовались, глядя на Солнце прямо или через телескоп, не забывайте беречь глаза. Можно пользоваться темным или закопченным стеклом, или же солнечным окуляром, который сильно уменьшает
Картонная защитная f труба
„ ,	Фильтр или
Изображение	закопченное
Солниа -х	стекло
Деревянная прокладка с отверстием для о.кцляра
Рис. 17. Конструкция простейшего телескопа-рефрактора.
-------
^Объектив
количество света за счет отражения от непосеребренной поверхности, подобно тому как это происходит в описанной выше пентапризме.
Каким бы способом ни наблюдать Солнце, непременно можно заметить одну его особенность: по всему диску Солнца его яркость не одинакова. В центре она больше всего и постепенно уменьшается к краю (так называемому лимбу). Это потемнение диска Солнца от центра к краю происходит вследствие того, что поверхность Солнца не является твердой и точно определенной; на самом деле это слой газа. У края Солнца, где мы просматриваем его атмосферу по касательной, мы лучше видим более холодные слои, которые, следовательно, кажутся нам не такими яркими, как более глубокие слои, лучше наблюдаемые ближе к центру диска.
Солнечные пятна
Хорошо известные солнечные пятна — это явления на Солнце, изменчивость которых наиболее очевидна. Когда Галилей впервые направил свой телескоп на Солнце, он, несомненно, был поражен, увидав в некоторых местах яркой поверхности Солнца темные образования. Ему оказалось достаточным пронаблюдать всего каких-нибудь несколько недель, чтобы убедиться, что эти пятна действительно органически связаны с Солнцем, а не являются планетами или какими-нибудь твердыми телами, проектирующимися на него. Галилей обнаружил, что Солнце вращается, причем оно делает полный оборот вокруг своей оси на несколько дней меньше, чем за месяц. Он не решался опубли
29 -
ковать свои наблюдения, понимая, насколько следующие из них выводы идут вразрез с господствовавшим в то время мировоззрением. Между тем другие ученые, среди них Фабрициус и Шейнер, независимо от Галилея обнаружили те же явления, хотя Шейнер и говорил, что в действительности пятна не могли быть на Солнце.
Наконец, Галилей заявил просто и ясно: «Повторные наблюдения, наконец, убедили меня, что эти пятна — реальные образования на поверхности самого Солнца, где они непрерывно
Рис. 18. Гигантская группа солнечных пятен, наблюдавшаяся 7 апреля 1947 г. на обсерватории Маунт Вилсон.
возникают, а затем исчезают, одни за более короткий, иные за более длинный промежуток времени. А вследствие вращения Солнца, которое происходит с периодом около одного лунного* месяца, они увлекаются вокруг Солнца; это явление важно само* по себе, а еще более в силу своей значительнее™».
Отдельные пятна оказались временными явлениями. Продолжительность жизни наиболее мелких из них — что-нибудь около дня; большие обычно живут несколько дней. Сравнительна
- 30 —
немногие остаются настолько долго, что существуют в течение-нескольких оборотов Солнца.
При большом увеличении в телескоп видны детали структуры солнечного пятна: темное центральное ядро, называемое тенью, обрамленное тонкими волокнами менее темной области — полутени. Солнечные пятна никогда не бывают точно круглыми. Обычно тень имеет «зубчатый» край, а очертание полутени грубо* повторяет форму тени. Местами волокна полутени простираются далеко за пределы общего контура пятна подобно небольшими клочкам сена, рассыпанным вокруг стога.
Рис. 19. Рисунок солнечного пятна. (Ланглей.)
г; Иногда возникают единичные пятна, но гораздо чаще — группы из двух или, более сложные, из нескольких пятен. Типичная группа пятен обычно состоит из двух больших пятен и неправильно расположенных вблизи них нескольких малых пятен. Большое пятно — часто арена проявления большой активности. Временами возникает яркая перемычка, разделяющая пятно на два. Общий характер явления может заметно меняться, в течение минут. Потом через несколько дней или недель пятно может совсем исчезнуть, оставив после себя яркие волокна — последние следы прежнего возмущения. Узор из ярких волокон, соединенных с пятнами, называется факелом.
Обнаружение пятен на Солнце сразу же выдвинуло трудную философскую проблему объяснения их природы. Как уже отмечалось, большинство первобытных народов обожествляло Солнце. Аристотель, взгляды которого во времена Галилея большей)
- 31 -
частью принимались безоговорочно, утверждал, что Солнце — шар из чистого огня. Я пишу оба слова курсивом, ибо ударение одинаково делалось как на первом, так и на втором. Вследствие этого очень многие считали, что утверждение о существовании пятен на Солнце порочит его чистоту, ибо пятно и чистота — понятия несовместимые. Многие отказывались смотреть в телескоп, чтобы самим не поддаться колдовству и не видеть этого осквернения, шедшего вразрез с учением Аристотеля — выдающегося философа. Изобретение телескопа и сделанные с его помощью открытия сильно помогли освобождению от средневекового преклонения перед авторитетами и содействовали развитию экспериментального и наблюдательного подхода к действительности, обеспечив рост современной цивилизации.
Солнечные пятна—действительно реальное явление. Галилей считал, что это — облака, плавающие в солнечной атмосфере; это его представление ближе к истине, чем мнение многих последующих ученых, часть которых считала, что пятна — это горы, отбрасывающие тень на светящиеся облака. Иные предполагали, что пятна — продукт действия своего рода вулканических сил.
В течение многих лет по аналогии с явлениями в земной атмосфере астрономы полагали, что пятна на Солнце — это области бурных движений. Под большим давлением газы стремятся в области с низким давлением, при этом они расширяются и охлаждаются. На Земле охлаждающийся влажный воздух содержит меньше водяных паров. Это приводит к конденсации и выпадению осадков. На Солнце газы всюду слишком горячи, чтобы конденсироваться. Даже тяжелые металлы находятся там в газообразном состоянии. Но менее горячие области заметно выделяются тем, что они излучают энергии меньше, чем окружающее вещество. Так было сделано заключение, что в темных, менее горячих областях, по-видимому, происходят солнечные бури1).
Однако современные, главным образом теоретические данные говорят о том, что солнечные пятна вовсе не бури. Прежде упускалось из виду, что сильные магнитные поля, которые, как известно, существуют в солнечных пятнах, приводят к своего рода неподвижности горячего газа; поэтому очень сильные «ветры», связанные с «бурями» и «штормами», не могут там возникнуть. Наоборот, оказывается, что пятна —«острова» наибольшего спокойствия в обширной и бурлящей солнечной атмосфере. Действительно, их «спокойствие» вытекает из того факта, что
т) Строго говоря, это представление сложилось главным образом на основе вихреобразной структуры полутени (см., например, рис. 19). (Прим, перев.)
- 32 -
в них не может происходить перенос тепла путем конвекции. В качестве компенсации более слабой конвекции в пятнах, в непосредственно примыкающих к ним областях конвекция и турбулентность усилены и они значительно ближе, чем обычно, подходят к поверхности1).
Мы находим на Солнце пятна всевозможных размеров. Самые маленькие (и наиболее многочисленные) обычно называются «порами» и имеют поперечник в несколько сотен километров. Весьма возможно, что существуют и более мелкие пятна, настолько малые, что их нельзя разглядеть в телескоп. С другой стороны, часто встречаются пятна, вместе с полутенью имеющие размеры в десятки тысяч километров. Большие двойные группы пятен занимают области в сотни тысяч километров и площади в миллиарды квадратных километров. Самая большая из зарегистрированных до сих пор групп пятен, наблюдавшаяся на Солнце в апреле 1947 г., заняла больше процента площади видимого солнечного диска. Общая ее площадь составляла около 15 000 миллиардов квадратных километров. Эта группа пятен была достаточно велика, чтобы в нее поместилось около 100 земных шаров! Пятна диаметром больше 40 000 км легко различить невооруженным глазом.
г) Согласно более новым представлениям это не совсем так. Поэтому здесь в изложении автора получается некоторая непоследовательность. Следует начать с того, что в обычной невозмущенной фотосфере (т. е. там, где нет факелов и пятен) наблюдается так называемая грануляция (см. разд. «Грануляция и факелы» на стр. 34). Она является следствием постоянно поднимающихся горячих и опускающихся более холодных потоков газов. Это явление называется конвекцией. Вынося из глубоких слоев более горячее вещество, конвекция поддерживает температуру и наблюдаемую яркость «поверхности Солнца». Таким образом, конвекция переносит энергию дополнительно к тому, что переносится излучением. Сильное магнитное поле пятен затормаживает конвекцию и прекращает дополнительное поступление энергии. В результате пятна оказываются более холодными и кажутся темными. В окружающих же пятна факелах магнитное поле также имеется, но там оно в десятки и сотни раз слабее. Как показал советский ученый С. Б. Пикельнер, это более слабое поле приводит к противоположному явлению: оказывается, конвекция усиливается. Это объясняется тем, что более слабое,поле не способно остановить мощные конвективные движения, как это имеет место в пятне. Однако у него «хватает сил» изменить их характер. Обычно, поднимаясь, каждый элемент конвекции совершает более мелкие, неправильные, так называемые турбулентные движения. Ясно, что такие движения, приводящие к столкновениям соседних элементов конвекции, действуют как трение, тормозящее подъем и опускание. Подавить эти более слабые турбулентные движения оказывается под силу более слабому магнитному полю вблизи пятен. Это как бы «смазывает» те «рельсы», по которым поднимаются и опускаются конвективные элементы. Именно поэтому в области факела конвекция усиливается, горячие газы поднимаются из глубоких слоев на большую высоту и создают яркие площадки, окружающие пятна, — факелы. (Прим, перев.)
3 Наше Солнце
- 33 -
Изменчивость Солнца
Если изо дня в день и из года в год наблюдать внешний вид Солнца, отмечая число групп пятен и размеры занимаемой ими площади, можно обнаружить постепенное периодическое увеличение и уменьшение количества пятен на Солнце. Швабе из Дессау в 1843 г. на основании своих 17-летних тщательных наблюдений впервые предположил существование периодичности появления солнечных пятен. На это предположение обращали мало внимания до 1851 г., когда Гумбольдт в своем «Космосе» поместил данные наблюдений Швабе за 25 лет. Позднее Р. Вольф из Цюриха нашел неопубликованную рукопись, датированную 1776 г., написанную датским ученым Хорребоу, который указывал на возможность периодических изменений солнечных пятен. Вольфу удалось обнаружить множество записей наблюдений, сделанных ранее жившими астрономами, в связи с чем он смог расширить наши сведения о количестве ранее появлявшихся солнечных пятен вплоть до 1610 г., когда был изобретен телескоп. Практически полные данные удалось собрать, начиная с 1745 г.
Средний промежуток времени между двумя последовательными максимумами количества пятен составляет 11,2 года, однако бывают большие отклонения. Максимум, следовавший после максимума 1788 г., наступил только спустя 16 лет, в 1804 г. С другой стороны, за максимумом в конце 1829 г. быстро наступил максимум в начале 1837 г., что соответствовало интервалу только в 7,5 лет. Проблема изменчивости солнечных пятен слишком сложна, чтобы обсуждать ее в этой вводной главе. Поэтому к этим интересным вопросам мы еще вернемся.
Грануляция и факелы,
Пятна на Солнце были открыты прежде всего потому, что они резко выделяются и бросаются в глаза при наблюдении даже в небольшой и несовершенный телескоп. Чтобы изучить структуру яркой поверхности Солнца между пятнами, необходимы значительно лучшие и более мощные инструменты. Эта поверхность имеет вид так называемой грануляции, которую часто сравнивают с рассыпанными рисовыми зернами. Это прекрасное сравнение приписывается одному астроному, который утверждал, что грануляция похожа на «зерна риса, плавающие в миске с супом». Сравнение хорошо передает картину явления, хотя и обнаруживает, что ученый не знал известного из кулинарии факта, что зерна риса тонут в воде.
Солнечные «рисовые зерна»— крошечные блестящие образования поперечником в несколько сотен километров, выделяю
- 34
щиеся на более темном фоне. Большей частью они видны вблизи центра солнечного диска. По нескольким последовательным фотографиям можно установить, что отдельные зерна «живут» недолго. В течение нескольких минут весь характер картины может полностью измениться. Быстрота этих изменений указывает на турбулентное состояние солнечной атмосферы. На Земле мы считаем ураганом ветер, движущийся со скоростью 150 км/час. На Солнце движения в атмосфере с такой скоростью воспринимались бы как неподвижное состояние, ибо там, особенно
Рис. 20. Факелы. Видны яркие прожилки вокруг солнечных пятен. (Медонская обсерватория.)
в верхних слоях атмосферы, нередки скорости в 150 км/сек\ «Рисовые зерна» оказываются волнами на бурном океане солнечной поверхности. Эти волны вызываются конвекцией, т. е. хорошо известной тенденцией горячих газов подниматься, а холодных — опускаться.
Как уже отмечалось, магнитное поле сдерживает конвекцию внутри пятен. Поэтому г) в областях, непосредственно примыкающих к пятнам, конвекция стремится стать больше, чем в обычных областях. В результате вокруг солнечных пятен появляются протяженные яркие участки, называемые факелами. Эти факелы образуют испещренные прожилками сетки гораздо больших размеров, чем темные пятна. Кроме того, они представляются более
9 См. примечание на стр. 33. (Прим, перев.)
- 35 -
3
устойчивыми образованиями, чем пятна, вероятно потому, что их появление, по-видимому, обусловлено магнитными полями, возможно, скрытыми под поверхностью. Предполагается, что факелы — своего рода возвышенности, временные «горы», образуемые газами, вытекающими в некоторых областях солнечной атмосферы. Факелы лучше всего видны вблизи лимба.
Протуберанцы
Турбулентное состояние солнечной атмосферы, возможно, сильнее всего проявляется в виде огромных газовых облаков, иногда простирающихся над солнечным лимбом. Эти облака, называемые протуберанцами, похожи на огромные языки пламени. Хотя они и светятся, их нельзя назвать пламенем в обычном смысле слова, ибо их свечение не обусловлено горением. Солнце не «охвачено огнем». Протуберанцы видны только с помощью специальных приборов, о которых речь будет идти ниже. Но во время полного солнечного затмения, когда Луна
Рис. 21. Протуберанцы, наблюдавшиеся во время солнечного затмения 1905 г. (Ликская обсерватория.)
скрывает от нас яркий диск Солнца, протуберанцы появляются в виде выступающих розовых облаков неправильной формы, иногда высоко плывущих над поверхностью Солнца.
Движения и формы протуберанцев являются предметом специального исследования. Некоторые из этих облаков имеют, поистине, характер извержений; они «выбрасываются» вверх со стремительностью взрыва. Другие остаются как бы подвешенными, подобно кучевым летним облакам; они почти отделены от поверхности Солнца, и в них наблюдаются свои внутренние движения. Некоторые внезапно неизвестно из чего образуются на большой высоте и грациозно изливаются светящимися пото
- 36 -
ками на Солнце. А есть и такие, обычно связанные с солнечными пятнами, которые вылетают подобно ленте пламени, а затем втягиваются обратно, как будто бы Солнце на мгновение высунуло змееподобный язык. Протуберанцы и солнечные пятна явно
Рис. 22. Четыре стадии развития явления, наблюдавшегося на краю Солнца 10 февраля 1956 г. Под фотографиями указаны моменты их получения по мировому (гринвичскому) времени. (Обсерватория Сакраменто
Пик.)
связаны между собою. Кипящая и бурлящая конвекция атмосферы при наличии сил, обусловленных электромагнитными токами, стремится выбросить вещество. Магнитные поля, имеющиеся в отдельных местах, определяют пути, по которым струится газ. Ударные волны, возникающие из возмущений на внешних краях солнечных пятен, возможно, приводят к образованию протуберанцев различных видов.
Корона
Протуберанцы, даже те, которые поднимаются высоко, движутся в пространстве, которое никак нельзя назвать полным вакуумом. Солнце окружено разреженной атмосферой, называемой солнечной короной. Атомы короны испускают слабое свечение,
- 37 -
Рис. 23. Развитие вниз дуги петлеобразного протуберанца, наблюдавшегося около солнечного пятна 14 апреля 1947 г.: а) 16 часов 16 минут по мировому времени; Ь) 16 часов 26 минут; с) 16 часов 46минут; d) 16 часов 51 минута; е) 16 часов 56 минут; /) 17 часов 01 минута. (Высокогорная обсерватория, Клаймакс.)
которое обычно совершенно забивается ярким блеском Солнца и излучением окружающей части неба. Корона видна только во время полных солнечных затмений. Тогда мы наблюдаем ее как сложную систему лучей или дуг с заметной структурой волокнистых потоков. Ниже мы опишем специальные инструменты, позволяющие видеть и изучать корону вне затмений.
Корональные «потоки» простираются на миллионы километров в пространство. Иногда они могут даже достигать Земли, вызывая при этом магнитные бури и яркие полярные сияния. Действительно, последние наблюдения говорят в пользу того, что корона, по-видимому, обычно простирается дальше Земли, так что наша планета фактически как бы погружена в крайне разреженные внешние слои атмосферы Солнца.
При случае мы подробно рассмотрим эти интереснейшие вопросы. Пока отметим только, что форма и структура короны, подобно солнечным пятнам и протуберанцам, зависят от состояния солнечной активности. В период максимума солнечных пятен корона представляется «всклокоченной», как бы обдуваемой
- 38 -
Рис. 24. Солнечная корона, 1936 г. (Фотография Ирвина С. Гарднер Национальное бюро стандартов. Снимок принадлежит Национально географическому обществу.)
ветром, с длинными неправильными лучами, вытянутыми в разные стороны, во время минимума — она «причесана», с аккуратными «хохолками» у полюсов и длинными прядями лучей, вытянутых вдоль экватора.
Вращение Солнца
Вращение Солнца, о котором уже упоминалось, представляет любопытную загадку. Оно не похоже на вращение твердого тела. Экваториальные области Солнца совершают полный оборот быстрее, чем средние широты, о чем мы заключаем из того факта,
что пятна вблизи экватора ближе к полюсам. Причина
Рис. 25. Наклон оси вращения Солнца. РР — ось; N — точка севера на диске Солнца
опережают пятна, расположенные этого экваториального ускорения х) неизвестна. В некотором роде то же самое наблю-дается и у таких планет, как Юпитер и Сатурн.
Определить направле-4—ние оси вращения доста-tftoX точно просто- Если бы эта ось была перпендикулярна
к плоскости земной орбиты, то казалось бы, что пятна движутся по диску
Солнца все время вдоль прямых линий. На самом же деле по прямой они движутся только около 6-го июня и 6-го декабря. В остальное время
они движутся по кривым, причем максимум кривизны наступает в промежуточные даты 7 марта и 8 сентября (рис. 25). Кривизна этих путей невелика, но при точном измерении видно, что ось Солнца составляет примерно 7° с перпендикуляром к плоскости орбиты Земли. С июня по декабрь нам виден северный полюс Солнца, а в течение второй половины года — южный.
Точка на экваторе Солнца совершает полный оборот за 25 дней. Скорость ее вращения около 7200 км/час, приблизительно вчетверо больше скорости на экваторе Земли. Как показали измерения, Земля отклоняется от сферической формы. Ее полярный диаметр вследствие центробежной силы, развивающейся при вращении, на 43 км меньше экваториального. Можно ли наблюдать такой же эффект и на Солнце?
На этот вопрос нелегко ответить, так как если Солнце и отклоняется от сферической формы, то отклонение это весьма незначительно. Наблюдениями как будто обнаружена разность диа-
г) Имеется в виду разность «ускорения» нет. (Прим, перев.)
скоростей. На самом деле никакого
40 -
метров порядка 0,01% или около 150 км. Но, возможно, полярный диаметр больше экваториального. Трудность заключена в самих наблюдениях. Свет, идущий от нижнего края солнечного диска, должен пройти несколько большую толщу земной атмосферы, чем тот, который исходит от верхнего края. Это различие проходимого пути, как бы оно ни было мало, все же приводит к ошибкам, которые трудно учесть. Мы убеждены, что некоторое сплющивание должно иметь место, но для его определения придется искать новые методы наблюдений.
Экваториальный диаметр гораздо проще измерить, чем полярный. В полдень восточный и западный края Солнца находятся на одной и той же высоте над горизонтом. Следовательно, путь световых лучей через земную атмосферу, по существу, одинаков, и поправки автоматически исключаются. При этом нет необходимости направлять телескоп сначала на один край Солнца, а затем на противоположный и измерять соответствующий угол. Вместо этого, установив телескоп в меридиане, наблюдают, когда Солнце пересечет поле зрения. В момент, когда с крестом нитей пересекается западный край, замыкают контакт хронографа; минуты через две, когда восточный лимб заканчивает прохождение через крест нитей, снова включают контакт. Телескоп все время остается неподвижным; таким образом, легко вычислить диаметр Солнца по записанному на ленте хронографа времени между обоими контактами.
Обычно гораздо легче измерять время, чем углы. Чтобы достичь точности 0,01%, достаточно записать длительность прохождения с точностью примерно до 0,01 сек. Поскольку короткие интервалы времени, если это необходимо, могут быть определены с еще большей точностью, эта часть исследования не представляет серьезных трудностей. Основные трудности связаны с влиянием атмосферы Земли. Если только воздух не исключительно чист и спокоен, край изображения Солнца всегда оказывается не точно и резко очерченным, как это необходимо для исследования, а волнистым и трудно определимым. Даже если атмосфера неподвижна, любая легкая дымка приводит к тому, что Солнце кажется большего размера, чем в действительности. Этот эффект, известный под названием иррадиации, может привести к ошибке до 0,1%.
Длительные ряды наблюдений, несмотря на многочисленные трудности, по-видимому, указывают на реальную изменчивость диаметра солнечного экватора. Спорным остается характер этих изменений. По мнению Секки и Роза, Солнце больше во время минимума солнечных пятен. С другой стороны, Мейерманн, сопоставляя более старые гелиометрические данные, не так давно получил противоположный результат — Солнце больше около максимума солнечных пятен. Наряду с мощными проявлениями
- 41 -
солнечной активности нельзя не учитывать и малых изменений поверхностных слоев. Однако очевидно, что эта проблема требует дальнейшего изучения с помощью лучших современных методов. Между прочим, следует отметить, что у множества звезд с меняющейся светимостью обнаружены пульсации диаметра порядка 10% и даже более.
В этой главе мы пытались набросать общую панораму солнечных явлений: пятнообразовательную деятельность, бешеное бурление атмосферы и взрывную активность протуберанцев. Набросок бегло сделан широкими мазками; подробности оставлены для следующих глав. То тут, то там делались намеки на предстоящие трудности, на еще не разрешенные вопросы.
Интерес к солнечным явлениям повышается благодаря их изменчивому характеру. Появляются и пропадают пятна, образуются, становятся активными и также исчезают протуберанцы. Постепенное вращение Солнца непрестанно открывает новые особенности. И если законы, управляющие движениями в солнечной атмосфере, продолжают оставаться для нас загадочными, мы все же надеемся открыть новые принципы, которые позволят обнаружить порядок в кажущемся хаосе, царящем во внешних слоях Солнца.
Некоторые закономерности, которые мы уже нашли, например периодическое увеличение и уменьшение числа пятен, ободряют нас в дальнейших исследованиях. Мы верим во всеобщую применимость законов физики. Мы надеемся, что все в природе можно объяснить этими законами. Обнаруживая расхождения, мы пересматриваем наше общее представление о законах природы. Во многих случаях явления настолько сложны, что до сих пор еще мы не осознали, в каком направлении действуют эти законы. Вообще говоря, ученый отрицает чудеса, быть может, только кроме одного «чуда», которое дало начало вселенной.
3
Свет, атомы и приборы
Свет — основа существования астрономии. Вспоминается, как в рассказе Г. Уэллса «Страна слепых» незрячие жители совершенно не знали о существовании небесных тел. Конечно, они могли различать ночь и день благодаря изменению температуры. Но слепые люди не имели никакого представления о природе вселенной и только теоретически предполагали, что небесный свод на ощупь должен быть «гладким».
Однако обычная слепота не обязательно исключает всякую возможность что-нибудь узнать о вселенной. Есть множество других способов исследовать небо. Осязание мало чувствительно по сравнению со зрением. Но на ощупь тоже можно обнаружить солнечное излучение. Существуют и другие, более эффективные физические приборы: термопара, болометр, фотоэлемент, которые все легко приспособить к регистрации на ощупь или на слух. С помощью электрической пишущей машинки можно даже исследовать фотографии как бы кончиками пальцев.
Современный астроном в такой же степени имеет дело со светом, который нельзя увидеть, как и с видимым
- 43 -
излучением. По обе стороны семицветной радуги, цвета которой воспринимает глаз, имеются лучи, не ощущаемые нашим глазом: это инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, расположенные соответственно за областями, занимаемыми видимыми красными и фиолетовыми лучами. В последние годы изучено еще более длинноволновое излучение космического происхождения в радиодиапазоне. Всю эту гамму излучения, как видимого, так и невидимого, принято называть спектром.
Великий астроном Вильям Гершель в 1800 г. произвел следующий опыт: он поместил термометр непосредственно за пределом видимых красных лучей спектра, полученного при пропускании солнечного света сквозь стеклянную призму. Поскольку термометр показал повышение температуры, Гершель правильно заключил о существовании излучения в области спектра, лежащей дальше красных лучей; эта область получила название инфракрасной. Два года спустя, Волластон, этот необыкновенный естествоиспытатель, одновременно астроном, химик, физик, геолог и металлург, доказал существование ультрафиолетовых лучей. Этот результат был им получен на основании опыта, являвшегося, по сути дела, примитивным фотографированием: от неизвестного излучения хлористое серебро потемнело. Клерк Максвелл описал характер радиоволн лет за 30 до того, как Герц получил их в лаборатории.
Теория света и излучения
Свойства света были исследованы много лет назад Исааком Ньютоном, который в 1672 г., к собственному своему удовлетворению, хотя и не к радости современников, показал, что цвет — свойство, присущее излучению. До него ученые думали, что цвета спектра — свойства, приобретаемые светом при прохождении через стекло призмы. Опыт Ньютона был очень прост. Он показал, что в то время, как отдельная призма разлагает солнечный свет на цветную полоску — спектр, вторая призма, вершина которой направлена противоположно первой, сводит цветные лучи в параллельный пучок белого света (рис. 26). Таким образом, ощущение «белого цвета» в действительности создается соединением всех цветов.
Со времен Ньютона до начала XIX в. оптика и представления о природе излучения мало подвинулись вперед. В этом направлении были проведены некоторые опыты и высказано много теоретических соображений. В основном шла борьба двух точек зрения. Согласно одной считалось, что свет состоит из мириадов мельчайших частиц или корпускул. Предполагалось, что размеры или, возможно, относительные массы определяют различия
- 44 —
цветовых ощущений, воспринимаемых глазом. Вторая теория утверждала, что свет — волнообразное движение, а различие цветов определяется расстоянием между гребнями соседних волн.
Хотя Ньютон активно поддерживал корпускулярную теорию, из его трудов видно, что он никогда полностью не отбрасывал волновую концепцию. По-видимому, он считал, что существуют вибрации, либо сопровождающие частицу во время ее движения, либо начинающиеся у нее при ее вхождении в некоторую материальную среду. Как мы сейчас увидим, эти колебания Ньютона по вопросу о природе света почти на 250 лет опередили свое время. В начале XIX в. Юнг осуществил первый убедительный эксперимент, который, как казалось, установил бесспорность волнового характера излучения. Он показал, что
Рис. 26, Опыт Ньютона со спектром.
два одинаковых луча света при наложении в некоторых особых условиях могут взаимно уничтожить друг друга (рис. 27)х). Свет плюс свет дают темноту! Действительно, это странный результат, по-видимому, совершенно не совместимый с корпускулярной теорией, в то время как волновая теория давала надежду на его объяснение. В самом деле, движение волн в одном луче может в точности нейтрализовать их движение в другом.
Следующая аналогия поможет объяснить это явление. Двое стараются перепилить дерево поперечной пилой с двумя ручками, но они бьются напрасно изо всех сил, если они одновременно и тянут, и толкают пилу, которая, таким образом, остается на месте. Два световых луча подобны этим людям. Световые волны действуют на светочувствительную оболочку глаза (сетчатку).
х) На рис. 27 рассматривается аналогичная картина для волн на поверхности воды. Чередование светлых и темных полосок грубо изображает волны. Они состоят из участков, где вода поднимается (белые клетки) и где она опускается (черные). Слева — обе волны складываются, так как подъемы и впадины совпадают; в результате наложения (интерференции) получается такая же волна. Справа — впадины одной волны попадают на выпуклости другой. Вследствие этого обе волны гасятся, и вода в широком канале — гладкая. (Прим, перев.)
- 45 -
свойства излучения.
Рис. 27. Интерференция волн, входящих в канал.
Но так как движение уничтожается, как в приведенном примере, в результате возбуждение отсутствует, и появляется ощущение темноты. Это явление получило название интерференции света; оно исследовалось многими физиками.
Казалось, что волновая теория объясняет почти все известные Расстояние между гребнями волн — длина волны — определяет цвет. Измерения показали, что в 1 см содержится около 15 000 волн красных лучей и 25 000 фиолетовых (рис. 28). Все цвета радуги занимают промежуточное положение между этими крайними значениями. Ясно, что ультрафиолетовое излучение обладает еще меньшими длинами волн, чем фиолетовое, а инфракрасное — большими, чем красное.
Световые волны, согласно теоретическим исследованиям Максвелла (около 1860 г.), по своему характеру
электромагнитные. Было известно, что электрический ток, пропущенный через проволоку, создает магнитное поле в окружающем пространстве. Когда ток прерывается, вновь включается или меняет направление, проволока излучает резкий электромагнитный импульс, распространяющийся в пространстве, как показал
/ 16000
Рис. 28. Длины световых волн.
Фиолетовый— 26000 волн 6 сантиметре
Красный -16000 волн в сантиметре
Максвелл, со скоростью света. Далее, он предположил, что если бы ток мог с достаточной частотой менять свое направление, то электромагнитное поле, колеблющееся в пространстве, окружающем проволоку длиною, приблизительно равной длине световой BOjfHbi, было бы тождественно световым явлениям.
Свет распространяется со скоростью 300 000 км/сек или 3-1010 см/сек. Если в 1 см укладывается 15 000 волн, то в течение 1 сек вспышка красного цвета всего даст около 5-1014 волн,’'каждая из которых соответствует полному циклу электромагнитного
- 46 -
колебания, подобного описанному в примере с проволокой. Колебаний с такой высокой частотой долго не удавалось получить в лаборатории. Недавно, однако, В. В. Салисбери и Е. М. Переел нашли способ заставить электроны колебаться с такой частотой. Как и следовало ожидать, их прибор стал излучать световые лучи соответствующего цвета.
Если бы вместо 5-Ю14 число колебаний составляло всего 1 миллион в секунду, длина волн соответственно была бы больше, чем у света, и составляла бы около 300 метров, что соответствует волнам, расположенным за инфракрасными лучами. Излучающий их проводник, в котором происходит колебание электрического тока, должен быть примерно той же длины. Читатель догадывается, что речь идет о хорошо знакомом излучении радиоволн. Задолго до их открытия Максвелл теоретически предсказал их существование на основе соображений, подобных приведенным выше.
В 1888 г., спустя девять лет после смерти Максвелла, Герц успешно воспроизвел радиоволны в лаборатории. Так выводы физика-теоретика и изобретательность искусного экспериментатора положили начало огромной отрасли знания. Дальнейшие исследования, особенно связанные с развитием радиолокационных установок во время войны, заполнили пробел в электромагнитном спектре между длинными радиоволнами и самыми короткими тепловыми инфракрасными лучами. На другом конце спектра ученые обнаружили область рентгеновских лучей, настолько коротковолновых, что они могут проникать в пространства между атомами с виду непроницаемого вещества, позволяя путем просвечивания изучать внутреннюю структуру предметов, например больных костей или дефектов в чугуне.
Как и предвидел Максвелл, всякое излучение имеет электромагнитную природу и является своего рода светом. Наш глаз способен воспринимать из всех лучей только ничтожную часть. Он совершенно не ощущает рентгеновские лучи, равно как и инфракрасные. А наше ухо глухо ко всем электромагнитным волнам, включая и радиоволны; это поистине благо, так как мы иначе никогда не были бы свободны от бесконечных радио и телевизионных программ, которыми насыщен эфир.
Но если радиоволны образуются в результате колебаний электрического тока в проволоке, то как образуются световые волны? Мы видели, что антенна для световых волн должна иметь размеры порядка атома. Вот где лежит ответ на этот вопрос. Сам атом в действительности представляет миниатюрный передатчик, хотя фактически он даже меньше, чем производимые им волны. Всякому веществу свойственно наличие электрических зарядов. В каждом атоме содержатся электроны, которые, колеблясь взад и вперед, «транслируют» световые волны.
- 47 -
Аналогия между атомом и радиопередатчиком настолько удачна, что мы рискнем ее продолжить. Каждая радиостанция работает на своей определенной частоте или длине волны, по которой можно ее узнать. Когда мы настраиваем приемник на определенную волну, обычно мы знаем заранее, какую станцию мы «ловим». Подобно этому каждый род атомов имеет свою собственную характерную длину волны. Измеряя ее и определяя тем самым точный цвет соответствующего излучения, мы можем узнать испустивший его атом, т. е. определить, что это за вещество (водород, кислород, натрий, железо и т. д.).
Однако, в противоположность радиостанции, атом может излучать не одну характеристическую длину волны х), а целую
ГНI I • III I I	IГТ~I!	|	ЩГТТ
irwmett	«павявявя
ГИ I Ц	1ФГ Ш 11		I I |	»	*|	И| Т
ЗШ	'	ДЖ J
Рис. 29. Спектр железа в области 3800—3900 А: в середине — линии поглощения (взрыв проволочки); сверху и снизу — эмиссионные спектры сравнения от железной дуги. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
сотню* 2); атомы некоторых элементов излучают тысячи волн различных длин. При этом отдельные из них «популярнее» других, так что одновременно много атомов может излучать на одной длине волны, в то время как другую излучают немногие. Следовательно, различные цвета, испускаемые группами атомов, могут заметно различаться по интенсивности.
Эти свойства атомов с успехом используются в химических лабораториях. Допустим, имеется образец стали, в которой предполагается наличие цинка. Даже если эта примесь содержится в минимальном количестве, она может ухудшить качество продукции и отрицательно повлиять на ее прочность. Химический анализ недостаточно чувствителен, чтобы можно было обнаружить этот цинк. Не прибегнув к спектральному анализу, его можно просто не заметить. Но если отломить крошечный кусочек этой стали и заставить его испаряться в пламени электрической дуги, можно детально исследовать излучение этих паров. Если цинк присутствует в сплаве, то он выдаст себя, испуская лучи
г) Большинство радиостанций также работает на многих волнах. (Прим, перев.)
2) Строго говоря, каждый атом может излучать бесконечное количество различных волн. Однако в каждом конкретном случае лишь часть из них имеет заметную интенсивность, и только некоторые лежат в видимой области спектра. (Прим, перев.)
- 48 —
характерных длин волн, совершенно не похожие на испускаемый железом спектр, изображенный на рис. 29. Подобным же образом, как мы сейчас увидим, астроном может изучать свет Солнца и других небесных тел и определять таким путем их химический состав.
Спектрограф
Для так называемого спектрального анализа используется инструмент, называемый спектроскопом или спектрографом
в зависимости от метода наблюдения — визуального или фото-
графического. Принцип его устройства чрезвычайно прост. Предположим, что мы хотим проанализировать свет некоторого пламени. Перед пламенем помещаем узкую щель S (рис. 30). Простой объектив от фотоаппарата L дает изображение щели в точке 7; при этом лучи всех цветов сходятся в одном фокусе.
Рис. 30. Линза дает простое изображение щели.
Теперь поместим перед линзой маленькую стеклянную призму Р (рис. 31). Лучи разных цветов, проходя через призму, прело-
мляются под различными углами, так что красные фокусируются
в одной точке, фиолетовые—в другой, а все остальные цвета радуги располагаются между ними. Если пламя испускает лучи только двух различных цветов, скажем, желтые и красные, так что при непосредственном рассмотрении пламя кажется оранжевым, спектроскоп разде-
Рис. 31. Призма дает спектр, состоящий из множества изображений щели.	отдельные изображения В
красных и желтых лучах. В общем, для лучей каждого цвета, испускаемых пламенем, получается свое изображение щели. Обычно физики называют эти отдельные изображения спектральными «линиями», так как каждое отдельное изображение похоже на тонкую линию. Следует отметить, что если
4 Наше Солнце
- 49 -
использовать две линзы вместо одной, как показано на рис. 32„ получится несколько лучший спектр.
Длина волны зеленых световых лучей составляет около 0,00005000 см. Красная линия водорода имеет длину волны 0,0000656279 см. Как видно, трудно измерять длину световых волн в сантиметрах. Слишком много нулей приходится ставить до первой значащей цифры! Поэтому за единицу измерения длины световой волны приняли более мелкую единицу, называемую ангстрем и обозначаемую первой буквой шведского написания этого слова: (А). Название это дано по имени шведскогоофизика А. Ангстрема, пионера спектральных
исследований; 1 А равен 0,00000001 сжили 10“8сж. Сто миллионов ангстрем составляют 1 см.
В этих новых единицах длина волны красной линии водорода, известной под названием Н-альфа (На),о составляет 6562,79 А. Длина рентгеновских лучей в этих единицах составляет от 50—100 А до 0,1 А. Однако это значение ни в коем случае нельзя считать мини-лучи, испускаемые ра-
Синиц
Рис. 32. Схема призменного спектроскопа.
мальным для излучения. Некоторые дием, ураном и другими радиоактивными элементами (гамма-лучи), совпадают с самыми короткими рентгеновскими лучами, другие же имеют длины волн, достигающие 0,03 А. При атомных превращениях образуются даже еще более короткие волны, включая волны, создаваемые так называемыми космическими лучами.
Измеренная длина волны зависит как от сорта излучающего атома, так и от его скорости. Атом, испускающий последовательно одну за другой волны через равные промежутки времени, можно уподобить пылкому влюбленному, обещавшему писать своей возлюбленной каждый час. Капризы почты нарушают точную аналогию, но предположим, что у него целая свита курьеров, ожидающих момента, когда можно отвезти каждое законченное письмо. Послы совершают путешествие с постоянной и одинаковой скоростью, отвозя письма прямо по назначению.
Теперь, пока адресат получает письма каждый час, она уверена в постоянстве своего возлюбленного. Внезапно интервал между их получением увеличивается до 1 часа 10 мин. Означает ли
- 50 -
это замедление охлаждение чувств? Ничуть. Просто ее поклонник уезжает дальше от нее. Письма, которые по-прежнему отсылаются каждый час, приходят позже. Когда он приезжает к месту своего назначения, письма снова начинают приходить с обычной скоростью. Когда же он пускается в обратный путь, интервал между прибывающими от него письмами становится меньше часа.
Частота получения писем определяется действительным расстоянием между теми из них, которые находятся в пути. Это расстояние меняется в зависимости от скорости передвижения отправителя. Точно таким же путем атом, движущийся по направлению от наблюдателя, реже встречает прибывающие
Рис. 33. Два спектра звезды Арктур, снятые с интервалом около 6 месяцев. Различие в скорости, обнаруживаемое по доплеровским смещениям спектральных линий, достигает 50 км/сек. Оно всецело объясняется орбитальным движением Земли (ср. стр. 22 и рис. 12). (Обсерватория Маунт Вилсон.)
к нему волны. Длина волны становится больше. Приближающийся же к наблюдателю атом присылает более короткие волны.
С помощью спектрографа можно измерить длину приходящей волны. Если при этом некоторая спектральная линия смещена от своего нормального положения в сторону красного конца спектра, то это означает, что излучающие атомы удаляются от наблюдателя; если же смещение—в сторону фиолетового конца спектра, то атомы приближаются. Величина смещения пропорциональна скорости. Предположим, что линия На, имеющая обычно длину волны 6562,79 Л, сместилась в красную сторону на 1/1000 длины своей волны, т. е. на 6,56 Л. Тогда длина волны окажется равной 6569,35 Л, что соответствует удалению излучающих атомов со скоростью в 1/1000 скорости света. Следовательно, атомы водорода удаляются со скоростью в 300 км!сек.
Этот принцип находит широкое применение в астрономии. Измеряя спектрограммы, можно определить скорости звезд, туманностей или различных образований на Солнце. Мы будем неоднократно ссылаться на это вызванное движением вдоль луча зрения изменение длин волн спектральных линий, называемое эффектом Доплера. (Впервые существование этого явления было предсказано австрийским физиком X.' Ж. Доплером и впоследствии названо его именем.)
4*
- 51 -
Современные теории света
Почти все приведенные выше рассуждения относились к волновым свойствам излучения. Казалось, физики XIX в. полностью похоронили корпускулярную теорию света. Никто из них и представить себе не мог, что призрак ее вновь восстанет и будет бродить по залам лабораторий XX вв. И действительно, с корпускулярной теорией далеко еще не было покончено. Между 1900 и 1925 гг. ее основная идея возродилась в результате новых экспериментальных данных почти полностью лишивших волновую теорию ее исключительного господства.
На рубеже XIX и XX вв. Макс Планк вновь поднял этст вопрос. Его исследования, а также более поздние работы датского физика Нильса Бора возродили точку зрения, согласно которой свет ведет себя как миниатюрные «пули». Отдельный такой «снаряд», посылаемый светом, они назвали квантом\ с самых различных сторон эксперименты подтверждали квантовую теорию.
Чтобы глубже понять основы, давшие толчок развитию этой теории, снова вернемся к аналогии с радиопередачей. Легко сразу различить передачу двух станций одинаковой мощности, но расположенных на разных расстояниях от нас. Передача более далекой станции, как правило, слышна слабее. Испускаемые ею и достигающие нашего приемника волны просто менее интенсивны С другой стороны, они обладают всеми свойствами волн более близкой станции.
Совершенно иначе обстояло бы дело, если бы энергия радиоволн была подобна взрывам пулеметных пуль, выстреливаемых из передающей антенны в направлении на приемник. Пули от ближней станции приходили бы почти непрерывно, и мы слышали бы программу без искажений: они все время были бы вблизи приемника. Но пули от очень удаленной станции попадали бы в окрестность нашего приемника редко, лишь от случая к случаю. В моменты их попадания мы отчетливо слышали бы одно-два слова, как от близлежащей станции. В перерывы же между попаданием пуль радио молчало бы. Аналогичный эксперимент с лучами света дает такой же результат и показывает, что свет распространяется в виде квантов, т. е. порций света. Однако трактовка прежних экспериментов, указывавших на волновую природу излучения, оставалась бесспорной. Здесь действительно оказалась трудность. Как мог свет вести себя в одних случаях как частицы (кванты), а в других подобно волнам?
Около 1925 г. де Бройль и Шредингер пришли к компромиссному решению, показав, что само вещество, которому до сих пор приписывались исключительно корпускулярные свойства
- 52 —
(т. е. свойства частиц), ведет себя также еще и как волна. Волны как бы направляют движение частиц — световых квантов или электронов. Как уже упоминалось, еще Ньютон предугадал ответ, предположив, что особая форма волн регулирует движение корпускул.
Строение атомов
За истекшие столетия наши представления об атомах претерпели коренные изменения. Древние считали атомы мельчайшими геометрическими телами: шариками, кубиками, пирамидами и т. д. Вопрос о внутреннем строении атома у них даже не возникал, ибо это потребовало бы введения еще более мелких частиц, в то время как самый термин «атом» произошел от греческого слова, означающего «неделимый».
Простые геометрические формы вполне удовлетворяли первых химиков, главным образом искавших объяснения различий между химическими элементами, например, почему железо не похоже на медь? Мысль о строении самого атома родилась, когда Менделеев в 1871 г. подчеркнул химическое сходство между некоторыми элементами. Ибо как же может существовать сходство между телами, не имеющими между собой ничего общего?
Чтобы пояснить стоящую перед нами задачу, приведем в порядке увеличения атомного веса 18 самых легких из более чем 100 известных нам разновидностей атомов. Водород, как наиболее легкий, стоит на первом месте, за ним следует гелий и т. д.
водород	гелий
литий	бериллий	бор	углерод азот	кислород	фтор неон
натрий	магний	алюминий	кремний фосфор	сера	хлор аргон
Мы расположили элементы в таком порядке, оставив большой, несколько искусственный, пробел между водородом и гелием, чтобы каждый столбец содержал элементы, химически, а иногда также и физически подобные друг другу. Литий и натрий — легкие металлы. Фтор и хлор — очень едкие газы, обладающие резким запахом. Гелий, неон и аргон — инертные газы, не вступающие ни в какие химические соединения. Это —«женоненавистники» в семье атомов.
Значение этой таблицы станет еще яснее, если рассмотреть стойкие соединения, которые различные элементы образуют с водородом. Водород соединяется сам с собой, образуя молекулу Н—Н или Н2; подобным же образом атомы того же столбца соединяются с водородом, образуя LiH и NaH'—соответственно гидриды лития (Li) и натрия (Na). С другой стороны, бериллий
- 53 -
и магний каждый требуют для полного химического соединения двух атомов водорода. Формулы их гидридов: ВеН2 и MgH2. Атомы следующего столбца требуют каждый трех атомов водорода, ВН3 и А1Н3, тогда как атомы четвертого образуют соединения СН4 (болотный газ) и SiH4.
Теперь можно ожидать, что гидрид азота должен иметь формулу NH5, и действительно, азот и фосфор часто бывают пятивалентными. Однако обычно наблюдается уменьшение валентности и образование NH3 (аммиака) и РН3 (фосфина). Гидрид кислорода ОН2 принято записывать Н2О (вода). Поразительно, что по структуре обыкновенная вода подобна сероводороду H2S — газу, пахнущему тухлыми яйцами. Атомы седьмого столбца
®-® ®
©-© ®
Рис. 34. Схема образования молекул.
образуют гидриды: HF (фтористо-водородную кислоту, иногда образующую сложную молекулу H2F2) и НС1 (соляную кислоту). Таким образом, уменьшением валентности до нуля при переходе к последнему столбцу объясняется пропуск между элементами первого периода — водородом и гелием, сделанный для того, чтобы объединить с помощью положения атомов в таблице элементы соответственно их свойствам. На рис. 34 изображены схемы расположения атомов в упомянутых молекулярных соединениях.
Рассматривая химические свойства элементов, мы, возможно, увлеклись излишними подробностями. Важно, что структура атома объясняет весьма различные свойства вещества. Можно проследить изменение свойств атомов вдоль всей таблицы периодической системы элементов. Чтобы полностью выявить все особенности, потребовалось бы не два или восемь столбцов, как было рассмотрено, а 18 или даже 32; мы не станем здесь пытаться показывать, как тяжелые элементы укладываются в общую картину.
- 54 -
Химик любит представлять себе атомы как бы снабженными особыми связями х), «крючками» или «руками», за которые при образовании молекул цепляются такие же «руки» других атомов. Можно сравнить водород, литий и натрий с маленькой, средней и большой чашками с одной ручкой. Бериллий и магний — разновидности круглых сахарниц с двумя ручками. Углерод — -сосуд с четырьмя ручками, образующий удовлетворительное химическое соединение с водородом, когда к каждой его ручке прикреплена с помощью своей единственной ручки одна «чашка».
Но это с точки зрения химика. Физика больше интересует свойство атомов поглощать и испускать различного рода излучение. Он хочет заглянуть в самую суть вопроса и обнаружить, что из этого следует. К сожалению, атом так мал, что мы не можем проникнуть в его тайны обычными методами. Даже световые волны слишком грубы для подобного исследования. Стараться «увидеть» атом — все равно, что ковырять в зубах кочергой.
Несмотря на это, многое удалось выяснить, применяя различные специальные методы. Мы можем расщепить атомы и рассмотреть, что собою представляют обломки. Впервые это выполнил в 1897 г. английский физик Томсон и обнаружил электрон — мельчайшую частицу с отрицательным зарядом и весом около Vsooo веса атома водорода. Далее, он обнаружил, что электроны различных веществ совершенно ничем не различаются между собою. Это было большим достижением. Электрон оказался одним из основных «кирпичей» в природе.
Второе великое открытие также было совершено в лаборатории Кавендиша в Кембридже (Англия), когда Эрнест Резерфорд доказал, что массивная положительно заряженная часть атома занимает небольшой объем в его центре подобно маленькому столику, поставленному посредине огромного танцевального зала. В нашем сравнении электроны в атоме подобны комарам, летающим по залу. Большая часть атома приходится на «пустое» пространство, и видимая компактность вещества является следствием грубости наших органов чувств.
Только постепенно выявилась остальная часть картины строения атома. В основном химическая природа атома зависит от числа положительных элементарных зарядов его ядра. Каждое ядро притягивает к себе некоторое количество отрицательно заряженных электронов, как раз достаточное, чтобы нейтрализовать положительный заряд ядра. Так, водород обладает одним внешним электроном, гелий двумя и так далее по всей таблице элементов Менделеева.
9 Эти связи называются валентностями. Они соответствуют числу электронов, которые может отдать или присоединить к себе данный атом. {Прим перев.)
- 55 -
Элемент радий стоит на 88-м месте и имеет 88 электронов (рис. 35, &). Но как расположены электроны и почему они не падают на ядро? В течение нескольких лет физики предполагали, что электроны обращаются вокруг центрального ядра: атом представлялся подобным миниатюрной солнечной системе. Предполагалось, что возможны движения по самым различным орбитам и излучение происходит при «падении» электрона с какой-нибудь внешней орбиты на более близкую к ядру.
Все же в этом объяснении оставалось много неясного. Как мог свет, излучаемый в результате подобного неустойчивого процесса, обладать волновыми свойствами? В этой модели не было ничего, напоминающего радиопередатчик. Кроме того, она не устраивала химиков, полагавших, что необходимо нечто более устойчивое, чтобы существовали атомные связи.
Шредингер и его многочисленные последователи ввели в атомную физику представление о волне. Атом, как музыкальный инструмент, полон колебаний. Однако я не могу объяснить, что это такое. Некоторые физики рассматривают это как «растворение» самого электрона в пульсирующее электронное облако, совершенно отказываясь, таким образом, от представления о плотной заряженной частице. Другие ученые полагают, что электрон можно рассматривать как частицу и что колебания являются «волнами вероятности». Это кажется очень сложным, но сама идея, разумеется, не чужда нам. Часто говорят о волне преступлений или самоубийств в основном именно в этом смысле. В разгар такой «волны» вероятность совершения кем-либо преступления или самоубийства несколько больше, чем при нормальных условиях. Подобно этому внутри атома вероятнее найти электрон там, где интенсивность «волны вероятности» наибольшая.
На рис. 36 изображены пространственные распределения «интенсивностей» волн вероятности для модели, изображающей атом водорода. Мы не знаем, где находится отдельный электрон. Действительно, новая теория приходит к интересному выводу, что мы никогда не можем точно определить местонахождение частицы. Наши попытки проникнуть в «частную» жизнь электрона заставляют его отклоняться от нормального поведения. Мы знаем только одно: в среднем электрон чаще бывает в областях большей вероятности, чем где бы то ни было в других местах.
Отметим, что существует целый ряд колебательных состояний, каждому из которых соответствует один из данных рисунков. Подобно струне скрипки атом может резонировать бесконечным числом способов. Однако, в отличие от музыкального инструмента, который может непрерывно издавать звук, атом испускает свои колебания во внешнее пространство в виде света только в моменты перехода от одного типа вибрации к другому. И только
- 56 -
10'8 CM
Водород (1)
1 r
Радий (88)
Рис. 35. а) Модели орбит некоторых легких атомов. Ь) Модель орбиты атома радия; числа обозначают величину п форму различных пересекающихся орбит 88 электронов. (Вендт и Смит, Материя-и энергия.)
во время этих переходов можно заметить действительное колебательное состояние электрона, родственное колебанию электронов в радиоантенне. Таким образом, здесь мы имеем, по существу, полную аналогию между атомом и радиопередатчиком. Атомы могут быть не только передатчиками, но и приемниками. Они способны как излучать свет, так и поглощать его. Следовательно, если пропустить белый свет через газ, атомы поглотят те световые
Рис. 3G. Волновые модели атома водорода. Числа и буквы — принятые в физике обозначения различных колебательных состояний. (Г. Э. Уайт.)
волны, которые сами они могут излучать. Тогда в спектре белого света образуются «пробелы» — темные линии в тех местах, где была энергия, поглощенная атомами. Скоро мы увидим, что такое явление происходит в солнечной атмосфере, в результате чего образуется спектр поглощения с темными линиями в точности в тех местах, где были бы видны соответствующие яркие линии спектра, которые наблюдались бы, если удалить являющийся фоном источник белого света.
Волновое представление атома одинаково приемлемо как для химиков, так и для физиков. Оба электрона гелия, например, образуют правильную сферу, в которую вписана пара волн вероятности. Внешняя гладкая поверхность лишена «крючка»
- 58
или «ручки», за которую мог бы удержаться другой атом. Отсюда следует и химическая инертность гелия.
В отличие от гелия, водород обладает только одним электроном и, следовательно, меньшей симметрией. Он как будто стремится к ней. Я не хочу сказать, что атом обладает разумом. Так же фигурально можно сказать, что дождевая капля «стремится к морю». Атом, подобно дождевой капле, достигает более устойчивого состояния, когда его стремление удовлетворяется. Два атома водорода, совместно владея своими двумя электронами, достигают симметрии, к которой они стремились; из них получается устойчивая молекула водорода.
Третьему элементу из таблицы Менделеева, литию, нужно «справиться» с тремя электронами. Два, как у гелия, образуют сферу вокруг ядра. Если снова перейти к сравнению, то можно сказать, что все места в амфитеатре уже заняты, и третьему электрону приходится вместе со своей волной вероятности удалиться на первый ряд балкона, где он бродит одинокий и неудовлетворенный. Проходящий мимо атом водорода может «зацепиться» за этот внешний электрон, который литий радостно разделяет с ним и, приобретая тем самым еще один электрон от водорода, достигает совершенной конструкции, ибо остальная его часть имеет вполне симметричную форму. Эти два атома, связанные, таким образом, вместе, образуют молекулу гидрида лития.
В амфитеатре имеется только два места, а в первом ряду балкона их уже восемь. Поэтому сферическая форма восьми замкнутых друг в друге волн вероятности образуется не ранее чем у десятого элемента — инертного газа неона. Огромная химическая активность девятого элемента фтора происходит из-за его неистовых усилий «найти» атом с одним свободным электроном, чтобы заполнить имеющийся у него пробел. Фтор в своем стремлении достичь симметрии готов даже растворить стекло. Кислород, которому необходимы два электрона, почти так же химически активен, как фтор. Общее количество электронов, которое он стремится присоединить, равно двум, что явно согласуется с числом недостающих электронов, которые он должен восполнить с помощью атомов водорода или какого-нибудь другого подходящего вещества.
Продолжим наше рассмотрение несколько дальше. Мы должны поместить одиннадцатый электрон натрия на второй ряд балкона, ибо остальные десять занимают все имеющиеся более близкие места — два в амфитеатре и восемь в первом ряду балкона. Теперь отметим физическое сходство между натрием и литием: первый с одиноким электроном во втором ряду балкона, а последний с таким же электроном в первом ряду. Нет ничего удивительного, что эти два элемента в химическом отношении ведут себя почти одинаково.
- 59
В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Возьмем в качестве примера магний 12 отрицательно з ряженных электронов которого в точности уравновешивают 12 положительных зарядов ядра. В газе атомы непрестанно сталкиваются между собою, и при известных условиях, например в раскаленной атмосфере Солнца, где атомы движутся очень быстро, в результате взаимных столкновений может оторваться от атома один или даже больше внешних электронов. Магний только с одиннадцатью вместо своих обычных двенадцати внешних электронов очень похож на натрий. Однако теперь уже атом магния не нейтрален, а обладает определенным положительным зарядом. Такой атом называется ионом. Нейтральный атом магния обозначают символом Mgl, один раз ионизованный атом, например, Mgll, дважды ионизованный Mgl II и так далее.
Спектр один раз ионизованного магния несколько похож на спектр натрия, различие обусловлено только неодинаковостью атомных ядер; ядро магния тяжелее. Излучение дважды иснизэванного магшя подобно излучению неона и так далее. Наконец, магний, у которого оторвано одиннадцать и остался только один электрон, излучает спектр такого же вида, как и водород, за исключением того, что все спектральные линии смещены в далекую ультрафиолетовую область рентгеновских лучей с частотами в 12-12 или в 144 раза большими, чем соответствующие линии водорода.
Атомы некоторых элементов подобно натрию и кальцию очень легко теряют один из своих внешних электронов. Водород и кислород ионизовать труднее, а гелий — наиболее трудно ионизуемый элемент. Если в спектре некоторого небесного тела наблюдаются линии ионизованного гелия, сразу можно сказать, что атомы там чрезвычайно сильно возбуждены. Для этого требуется крайне высокая температура, больше 20 000° К1).
Молекула, как и атом, может излучать, но более сложным, образом. Характер испускаемых волн может меняться как из-за переходов электронов, так и из-за изменения положения самих ядер атомов, входящих в состав ядра молекулы и колеблющихся подобно мячикам, связанным резинкой или вращающимся подобно гантели. Излучение происходит всякий раз, когда меняется колебательное или вращательное состояние. Таким образом, одновременно изменение состояния молекулы может произойти по трем причинам. Там, где атом дает одну спектральную линию, молекула излучает целую серию линий, часто расположенных настолько близко друг от друга, что они сливаются в сплошную полосу (рис. 37). Каждая молекула имеет
г) Буква К означает шкалу температур Кельвина. Она отличается от известной шкалы Цельсия (°C) только тем, что ее нульпункт принят в точке абсолютного нуля температуры — 273° С; 0°С соответствует 273° К
60 -
собственный характерный спектр, по которому можно ее узнать.
Молекулы, как и атомы, также могут быть ионизованы.
Философ обнаруживает в химическом поведении вещества единство; поэт может олицетворять некую силу, управляющую
Рис. 37 Спектр молекул циана. В спектрах многих звезд, в том числе и в спектре Солнца, наблюдаются сильные линии циана (CN).
(Гарвардская физическая лаборатория.)
«бракосочетаниями» атомов. Однако «многоженство» некоторых элементов слегка портит эту романтическую идиллию; частые «разводы», внезапные распады молекул в результате гибельных столкновений дополняют всю картину.
Рис. 38. Полосатый спектр молекулярного углерода, наложенный на линейчатый спектр рутения. (Технологический институт, Массачусетс.)
Химик же воспринимает сумятицу, наблюдаемую в приборе, скорее как конфликт между силами. Химические законы столь же неизбежны, как и закон всемирного тяготения. Скала падает вниз по склону горы. Один атом захватывает другой, образуя
- 61 -
молекулу. Оба эти события — выражение одного и того же основного принципа: тенденции неустойчивых объектов перейти в более устойчивое положение. В общем виде законы универсальны. Атомы—одни и те же, где бы мы их ни находили,—на Земле, на Солнце или в других больших галактиках, подобных нашей системе Млечного Пути и удаленных от нас на миллионы световых лет.
Уверенность ученого в универсальности законов природы дает ему смелость рассматривать проблемы, связанные с отдаленнейшими небесными телами. Звезды посылают нам свет. Анализ этого света говорит нам о том, какие там существуют атомы и каковы физические условия окружающей их среды. И даже больше! Астрономические наблюдения основательно способствуют расширению наших знаний о природе материи и излучения. Солнце и звезды служат нам лабораториями, в которых вещество может исследоваться в условиях, весьма отличных от тех, которые можно создать в наших земных лабораториях. В глубинах вселенной встречи между атомами могут быть значительно более неистовыми, чем то, что обнаруживается на Земле и создается даже в недрах водородной бомбы.
Теннисон в своем «Лукреции» ярко изображает этот космический конфликт, эту динамическую сущность материи:
Буря... о боги! Сны, какие сны!
Я трижды пробуждался. Ах! Случайно Мы вспоминаем только сны Пред самым пробуждением: ужасно! Ибо казалось мне — в Природе Образовалась пустота, Оковы все ее трещали; увидал я: Сверкающие атомов ручьи И бурные потоки мириадов Бесчисленных миров Обрушивались в пустоту без края... И возникали вновь, чтобы, столкнувшись^ Все новые создать нагроможденья.
4
Солнечный свет — вестник
Пожалуй, самым простым и общеизвестным фактом, который мы знаем о Солнце, является то, что оно посылает нам свет и тепло. В недрах Солнца, вблизи от его центра, в результате некоторого процесса вырабатывается энергия, которая передается от одного атома к другому и в конце концов прокладывает себе путь к поверхности Солнца. Тогда, внезапно почувствовав себя свободным, луч этой энергии устремляется через пространство в 150 миллионов километров, погружается в земную атмосферу и, пройдя через нее, «ударяется» о поверхность Земли. В действительности, Земли достигает лишь 1/2 000 000 000 часть солнечного излучения. Остальное, за исключением мизерного количества, перехватываемого другими планетами, навеки теряется за пределами солнечной системы. Солнечные лучи спешат вырваться в межзвездные просторы, распространяя свое скудное тепло во все большем и большем пространстве.
Излучение, попадающее на поверхность Земли, скрывает в себе множество тайных посланий. Задача астронома состоит в том, чтобы расшифровать их и доискаться
- 63 -
смысла. Мы сейчас увидим, что ключ от шифра скрывается в законах физики. В настоящей главе мы займемся расшифровкой лишь небольшой части всех этих посланий. В каждой из последующих глав мы будем заниматься различными аспектами информации, поставляемой солнечным светом.
Количество солнечного света меняется со временем года. Облака, пыль или дымка в атмосфере могут иногда уменьшить интенсивность доходящего до нас излучения. Но чтобы судить по наблюдениям о Солнце, нужно освободиться от местных условий или учесть их соответствующими поправками.
Как уже упоминалось, солнечный свет «белый»; хотя и очень грубо, но все же это дает представление о его качестве. Термин «белый» — слишком неопределенный и включает множество оттенков; в этом убедится всякий, кто пожелает подобрать материю для белой одежды. Следовало бы найти более точные способы оценить как количество, так и качество излучения и дать экспериментальный метод точных измерений.
Яркость Солнца
Сначала рассмотрим вопрос об интенсивности. Как можно ее измерить? Для этого имеется целый ряд способов; к сожалению, многие из них слишком специальны, чтобы рассказывать о них в популярной книге. Есть одна мера яркости -1), одинаково всем знакомая: мощность света свечи. Несколько лет назад этот термин был распространен еще больше, чем сейчас, для обозначения мощности электрических ламп. Предполагалось, что лампа в 30 свечей дает столько света, сколько 30 «стандартных свечей». Разумеется, нам следует иметь определенный эталон свечи с указанием точного ее размера, состава, длины фитиля и даже свойств воздуха, в котором она должна гореть.
Теперь мы измеряем мощность электрических ламп количеством потребляемой ими электрической энергии. Однако сами по себе «ватты» не являются хорошей мерой создаваемой освещенности, ибо в обычной лампе накаливания большой процент электроэнергии идет на невидимое инфракрасное (тепловое) излучение, вовсе не являющееся полезным. Обычная лампочка дает силу света приблизительно в одну свечу на каждый ватт потребляемой мощности, что почти в четыре раза эффективнее, чем прежние лампы с угольной нитью.
Неоновые и другие лампы, используемые для рекламы и представляющие собою наполненные газом трубки, возбуждаемые электрическим разрядом, дают еще больший процент видимого
х) Подразумевается так называемая сила света. (Прим, перев) - 64 -
света на один ватт. Поскольку в них значительно большая часть электрической энергии превращается в видимый свет и очень незначительная — в невидимое излучение, такая лампа в 15 ватт дает столько же свечей, сколько 60-ваттная лампа с вольфрамовой нитью.
Возникает вопрос: какую из этих единиц, свечу или ватт, следует принять для измерения солнечного излучения? Ясно, что они неодинаковы. Если мы имеем дело с видимым светом, то его мощность следует измерять в свечах; это характеризует то, что мы в действительности видим. Но, как указывалось выше, значительная доля солнечной энергии лежит в инфракрасной и ультрафиолетовой областях; это излучение совсем не учитывается, когда интенсивность солнечного света оценивается нашим «полуслепым» глазом. Далее, электрическая лампочка в 60 ватт в действительности излучает 60 ватт энергии, даже если только 2% ее оказывает влияние на наш глаз. Следовательно, ватт — весьма подходящая единица для выражения общего количества излучения во всех длинах волн.
Рассмотрим, каким путем можно измерить излучение Солнца в свечах. Прежде всего мы должны поместить в темной комнате зажженную стандартную свечу и рассмотреть, какова интенсивность света, падающего от свечи на кусок белой бумаги, расположенный на расстоянии от нее, скажем, в один метр. Теперь гасим свечу и пускаем солнечный свет в комнату, уменьшая при помощи фильтров из темного стекла его интенсивность, наблюдаемую на том же экране, до тех пор, пока она точно не совпадет с интенсивностью света, наблюдавшегося от свечи. Фильтры можно калибровать с помощью фотоэлемента.
Если нам трудно запомнить интенсивность свечи, можно установить свечу с одной стороны бумаги и сделать так, чтобы солнечный свет падал на другую ее сторону. Сделаем небольшое жирное пятно в центре нашего листа бумаги. Это пятно сделает бумагу полупрозрачной, пропускающей часть солнечного света. Теперь сравним яркость этого пятна с яркостью остальной бумаги. Если пятно нам покажется светлым или темным, значит, источники света неодинаковы. Тогда отрегулируем интенсивность солнечного света до кажущегося исчезновения пятна (рис. 39).
Осуществив одинаковое освещение, обнаружим, что фильтры из темного стекла уменьшили интенсивность солнечного света примерно в 100 000 раз. Следовательно, интенсивность света Солнца, когда оно в зените, в 100 000 раз больше, чем свечи на расстоянии одного метра. Солнце находится от нас на расстоянии 1,5-1011 метров (150 000 миллионов метров). Значит, принимая в расчет, что интенсивность излучения меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, можно-легко найти, что общая сила излучения Солнца в свечах составляет около 2,5-1027.
Э Наше Солнце
- 65 -
Эта цифра непостижимо велика. Если учесть поправку за поглощение света в земной атмосфере, получится еще больший результат: 3-1027 свечей. Чтобы изготовить такое количество свечей, даже таких крошечных, какие втыкаются в именинный пирог, потребовалась бы глыба стеарина, в 10 раз превышающая всю Землю. Одних фитилей потребовалось бы столько, что ими можно было бы раз 10 пересечь видимую часть вселенной, простирающуюся на несколько миллиардов световых лет. (Световой
Рис. 39. Схема эксперимента для определения силы света Солнца в свечах. Ослабленный темным фильтром свет Солнца дает освещенность, равную освещенности от стандартной свечи.
год равен приблизительно десяти миллиардам километров (1013), т. е. тому расстоянию, которое проходит за один год свет, распространяющийся со скоростью 300 000 километров в секунду.] Свечи же, воткнутые без промежутков, покрыли бы сплошь пирог диаметром в земную орбиту.
Интенсивность излучения каждого квадратного сантиметра солнечной поверхности равна 50 000 свечей. Не удивительно, что Солнце так слепит наши глаза, если смотреть на него прямо.
Описанный выше экспериментальный способ измерения яркости Солнца очень груб. Лучшим прибором для регистрации интенсивности излучения был бы фотоэкспонометр, а еще лучше — один из счетчиков освещения, которые электрические компании используют для определения количества необходимых ламп
- 66 —
в помещении. Эти приборы, вообще говоря, реагируют на гораздо более широкую гамму цветов, чем человеческий глаз. Поэтому видимая яркость Солнца измерится точнее, если поместить перед счетчиком светло-зеленый целлофан, пропускающий лучи, к которым глаз более чувствителен.
Солнечная постоянная
Однако чувствительность в широкой области спектра, а не только в видимой,— это как раз то, что нам нужно для измерения общей энергии Солнца. Фотокамера лучше глаза, но самым хорошим инструментом следует считать термопару. Она состоит из двух (отсюда — «пара») спаянных одними концами проволочек, сделанных из разных металлов, например, железа и меди или висмута и сурьмы. Противоположные их концы присоединяются к чувствительному амперметру. Теперь, когда место спая нагревается, возникает электрический ток. Его сила, регистрируемая амперметром, точно измеряет количество тепла.
Это один из возможных приборов для измерений. К термопаре1 прикрепляется небольшой металлический диск, служащий приемником излучения. Поверхность диска тщательно покрывается черным слоем сажи, которая одинаково поглощает все падающие на нее лучи: инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые. За счет1 поглощенной энергии диск и место спая нагреваются; сила тока измеряет количество излучения, падающего на приемник. Астрономы сконструировали составные термопары, обладающие очень большой точностью и чувствительностью (рис. 40). С помощью такого прибора, присоединенного к большому рефлектору, можно обнаружить излучение сальной свечи на расстоянии 100 км. Если бы на Луне существовало горячее озеро поперечником в несколько сотен метров, то оно вызвало бы сильное отклонение, стрелки амперметра.
Теперь повторим наш прошлый эксперимент, используя в' качестве измерительного прибора вместо глаза термопару и заменив свечу электролампой с известной мощностью. Эти измерения приводят к следующим интересным данным, касающимся общего излучения Солнца. Солнечная энергия, приходящаяся на один квадратный метр за пределами земной атмосферы, составляет 1100 ватт, или 1,1 киловатта. Отсюда находим, что общее излучение Солнца составляет 3,86-1026 ватт, что соответствует 6500 ватт с каждого квадратного сантиметра его поверхности.
В указанных цифрах скрыты некоторые весьма важные факты,, которые мы сейчас отметим. Получается,' что Солнце дает 50 000/6500 или около 8 свечей на каждый ватт. Обычная 100-ватт-, ная лампа дает около одной свечи на каждый ватт, тогда как
- 67 -
5А
старая угольная лампа требует почти 4 ватта для создания того же освещения. Стеариновая свеча расходует около 8 ватт энергии для создания силы света в одну условную свечу. Возникает вопрос: в чем причина этого различия относительной эффективности? Почему по своему излучению Солнце более чем в 60 раз эффективнее свечи?
Количество ватт говорит об общей излученной энергии. Световая свеча указывает, какая доля ее приходится на видимый
Рис. 40. Чувствительная термопара для измерения излучения звезд и планет. Она состоит из двух спаянных проволочек, каждая из которых соединена с зачерненным кружочком. Если изображение звезды переместить с одного из них на другой, ток изменится на противоположный, удваивая таким образом первоначальное отклонение гальванометра. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
свет. Большая часть энергии излучения, выраженной в свечах, создается в далекой инфракрасной области спектра, к которой глаз не чувствителен. Температура пламени свечи только 1930° К; температура угольной нити около 2115° К, вольфрамовой нити 2760° К. Экспериментально подтверждается теоретический вывод, что чем горячее источник света, тем большая часть излучаемой им энергии приходится на более короткие волны.
Так, например, на рис. 41 показана интенсивность, приходящаяся на различные длины волн одного ватта энергии, излученного источниками с разными температурами. Кривые различаются главным образом тем, что их максимумы при более
68 -
низких температурах расположены в области относительно больших длин волн. Подобная кривая для Солнца очень похожа на то, что дает теория для тела с температурой 6000° К. Отсюда можно сделать вывод, что температура Солнца равна 6000®.
Заштрихованная область на рис. 41 указывает на ту часть солнечной энергии, которая воспринимается человеческим глазом. Она составляет только 14%; как ни мала эта доля, она значительно больше той, которая воспринимается глазом от источников с более низкой температурой. Из рис. 41 ясно, почему вольфрамовая нить значительно эффективнее угольной, которая имела бы одинаковую с нею яркость, если бы ее можно было нагреть до 2760° К, не рискуя ее испарить.
Рис. 41. Распределение интенсивности в спектрах источников с различными температурами. Заштрихованная область соответствует чувствительности глаза. (1 микрон = 10 000 ангстрем.)
Любопытно, что по силе света 2-ваттная флуоресцентная лампа, излучающая исключительно зеленые лучи, к которым глаз чувствительнее всего, одинакова с обычной 100-ваттной лампой. Однако достоинство столь большой эффективности несколько снижается присутствием лучей, придающих неприятный голубой оттенок. Для создания впечатления белого цвета необходимо добавить также красные и синие лучи, хотя глаз к ним и менее восприимчив.
На этом закончим рассмотрение вопроса о качестве излучения. Скажем еще несколько слов о его количестве. При повышении температуры излучающей поверхности, как мы видим, увеличивается количество энергии, а максимум смещается в сторону коротких длин волн. Закон, связывающий температуру с количеством излучаемой энергии, впервые экспериментально обнаружил Стефан. Позже Больцман дал этому закону теоретическое
- 69 -
обоснование. Попробуем сформулировать этот закон, так как он крайне прост. При температуре 1000° идеально излучающее тело (т. е. тело, в холодном состоянии являющееся черным г)) излучает 5,7 ватт с каждого квадратного сантиметра своей поверхности. Теперь, если удвоить температуру, излучение возрастет в 24 раза, т. е. в 16 раз. Так же точно при температуре 6000° тело излучает в 64= 1296 раз больше или 7287 ватт с каждого квадратного сантиметра. Для Солнца эта же величина, как уже упоминалось, составляет 6500 ватт. Отсюда температура Солнца, вычисленная по интенсивности его излучения, немного ниже 6000° или, точнее, 5800°. Согласие между этим значением и значением, полученным выше по цвету (или по распределению энергии в спектре) солнечного излучения, вполне удовлетворительно.
Теперь необходимо определить, что такое идеально излучающее тело, так как обычные тела не всегда ведут себя таким образом. Даже углерод, одно из самых черных из всех известных веществ, до некоторой степени отклоняется от теоретического «идеала». Вольфрамовая нить в этом отношении отклоняется еще больше. Следовательно, в наблюдения необходимо вводить соответствующие исправления, но мы сознательно не будем о них говорить с целью упростить изложение.
Земная атмосфера
Нельзя обойти молчанием одну ошибку, учесть которую чрезвычайно трудно. Дело в том, что необходимо принимать в расчет поглощение солнечного излучения, происходящее в земной атмосфере, через которую мы вынуждены производить наши наблюдения. Многие астрономы мечтали о станции наблюдений, расположенной на лишенной атмосферы Луне; это особенно важно для тех, кто изучает солнечную энергию. Вот почему исследования Солнца за пределами земной атмосферы — одна из задач осуществляемой сейчас программы запусков искусственных спутников Земли.
Входя в земную атмосферу, солнечный свет немедленно начинает поглощаться. На высоте 40—50 км он встречает слой озона, который практически непроницаем для далекого ультрафиолета. Фактически коротковолновое излучение с длиной волны меньше 3000 А. совершенно не проникает через этот слой. Для этого излу-
х) Автор не упоминает о не менее важном законе Кирхгофа, согласно которому чем больше тело излучает, тем больше оно и поглощает. Поэтому идеальный излучатель должен также идеально поглощать, а как известно, лучше всего поглощает все лучи черное тело. (Прим, перев.)
- 70 -
нения над нами как бы имеется сплошной потолок. Молекулярный озон, состоящий из трех связанных атомов кислорода,— только одно из поглощающих веществ. Обычные молекулы двухатомного кислорода задерживают значительную часть красного и инфракрасного излучений. В более низких слоях атмосферы водяные пары, углекислый газ и многие другие соединения также задерживают часть излучения. Если добавить, что пыль, дым и воздух производят общее рассеивание света во всей атмосфере, то получится весьма сложная задача. Прежде чем дойти до наших инструментов, чистый свет Солнца сильно искажается.
Поглощаемое излучение идет на нагревание верхних слоев атмосферы. Рассеиваемая его часть направляется в разные стороны, частично уходя обратно в межпланетное пространство,
Рис. 42. Излучение Солнца по измерениям Аббота. Значительное ослабление, особенно в инфракрасной области, происходит из-за поглощения излучения молекулами воздуха земной атмосферы.
частично проникая вниз; она вызывает свечение неба. Поскольку молекулы рассеивают синие лучи больше, чем красные, небо кажется нам синим.
С целью по возможности уменьшить влияние земной атмосферы, доктор Аббот, крупнейший специалист в области измерения солнечного излучения, выбрал высокогорные пустынные районы для обсерваторий Смитсоновского института. Очевидное преимущество пустыни — большое количество ясных дней, пригодных для наблюдений, и отсутствие в воздухе водяных паров, дыма, а может быть, даже и пыли. Плоский характер местности обеспечивает практическую однородность воздуха в любом слое над поверхностью Земли, что весьма существенно.
- 71 -
Рис. 43. Поглощение в земной атмосфере.
Основные наблюдения Аббота подобны описанным выше. С помощью спектрографа с призмой из каменной соли (стекло поглощает тепловые лучи и поэтому не годится) получается спектр Солнца. Для регистрации интенсивности солнечного света в разных длинах волн Аббот применяет вместо термопары столь же эффективный вакуумный болометр. Его действие основано на изменении сопротивления тонкой зачерненной проволоки вследствие ее нагревания от падающего на нее излучения. Будем наблюдать Солнце в двух различных положениях: когда оно в зените и на расстоянии 60° от зенита (рис. 43). При этом мы не учитываем кривизну земной поверхности. Расстояние О В вдвое больше О А. Следовательно, во втором случае поглощение вдвое сильнее. Это означает, что если луч АО уменьшается до двух третей своего первоначального значения, то ВО также уменьшится, однако не до х/3, как может показаться, а до 2/3 • 2/3 или 4/9 своего значения за пределами атмосферы. Если уменьшение интенсивности вдоль
луча АО составляет 1/2, то вдоль ВО уменьшение равно 1/2-1/2 или х/4 и т. д.
Теперь посмотрим, что можно вывести из этого факта. Если разделить наблюдаемую интенсивность вдоль луча ВО на интенсивность вдоль луча АО, то частное даст пропускание атмосферы для вертикально падающих лучей. Следовательно, мы можем исправить свои измерения и найти интенсивность вне атмосферы. Практически, разумеется, производится более сложная про-
цедура, но в принципе она основана на приведенном рассуждении. Изучая по очереди каждую длину волны, мы строим сложную кривую солнечного спектра, как бы он выглядел для наблюдателя, находящегося вне земной атмосферы.
Этот метод, конечно, непригоден для тех длин волн, которые совершенно не доходят до земной поверхности. Этот пробел
приходится восполнять другими методами или теоретически. Иногда, как в случае излучения в близкой инфракрасной области, когда спектр «выеден» в ряде мест поглощения некоторых молекул, можно внести поправку за это поглощение, не сделав серьезной ошибки. Фотографии, полученные с ракет, запущенных на высоту 200—300 км, говорятоо том, чтооизлучение в области длин волн примерно от 2000° А до 3000 А несколько меньше, чем считалось раньше на основании предположения, что эффек
- 72 -
тивная температура Солнца составляет 5800° К. Однако поправка, которую из-за этого надо внести, невелика и не влияет на общее количество солнечной энергии.
Мак-Мас построил инструмент, специально предназначенный для исследования излучения в близкой инфракрасной области и позволяющий в десять раз увеличить чувствительность. В этом приборе 'применяется сернистосвинцовое фотосопротивление и
Рис. 44. Полосы атмосферного поглощения в инфракрасной части спектра: вверху — спектр Солнца; внизу — для сравнения спектры, полученные в лаборатории. По вертикальной оси—интенсивность солнечного излучения. Обозначены полосы поглощения воды (Н2О), закиси азота (N2O), углекислого газа (СОг) и озона (О3). (Артур Адель.)
электронный самописец. Для регистрации спектра в далекой инфракрасной области используется чувствительный приемник с теллуристым свинцом. Изучение инфракрасной части спектра, произведенное Мак-Масом, Гольдбергом, Молером и Пирс, позволило значительно уточнить наши представления об атмосферах Солнца и Земли.
Большие ракеты, способные поднять спектрографы выше слоя озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца, расширяют наши знания об этой интересной и’ важной области спектра. Таузи со своими сотрудниками из Лаборатории
73 -
16042,5 16065,3	* J’
Ге I SiI,C02	16099,1
16050 A	Sil
C02
Рис. 45. Инфракрасная область солнечного спектра; полосы углекислого газа (СО2) отмечены у 16050 А и 15750 А. Точками обозначены линии, принадлежащие СО2. Указаны некоторые атомные линии. (Обсерватория Мак-Мас — Халберт.)
Монохроматор
Плоские зеркала
Фотосопротивление PbS Цилиндрическая линза
Выходная щель
Входная щель
Параболические вогнутые зеркала
Решетка на вращающемся столике
У сил и-	Само-
тело писец
| Призма из№г
Коссегре- | новскии |
"3-е плоское зеркало
Прерыватель све- РеЧ>леш1>Р
та (частота 1080 герц)
Рис. 46. Оптическая схема солнечного телескопа и инфракрасного спектрометра. Чувствительным элементом является фотосопротивление из сернистого свинца (PbS). (Обсерватория Мак-Мас— Халберт.)
Рис. 47. Спектр Солнца, снятый с ракеты Фау-2, 10 октября 1946 г. На самых низких высотах озон резко обрезает спектр около 3000 А. На высоте около 34 км ракета начинает проникать в слой озона. На высоте 55 км ракета уже находится выше слоя озона и впервые показывается далекая ультрафиолетовая область спектра; наиболее характерной особенностью этого спектра является сильное поглощение магния у 2800 А. При подъеме ракеты выше 160 км обнаруживаются новые особенности спектра в крайнем ультрафиолете. (Р. Таузи, Исследовательская лаборатория военно-морских сил США.)
Рис. 48. Область ультрафиолетового спектра от 2400 до 1800 А, снятая с ракеты. (Р. Таузи, Исследовательская лаборатория военно-морских сил
США.)
военно-морских сил США и другие ученые, работающие в Кембриджском центре научных исследований военно-воздушных сил, получили множество спектров Солнца вплоть до длин волн около 2200 А. В этой области обнаружено много ярких эмиссионных линий различных атомов, важнейшие из которых принадлежат Mgll, Mgl, Sil и Fell. Изучение этих спектров весьма трудоемко, так как спектральных линий очень много, а спектрограммы очень малы вследствие того, что инструменты, поднимаемые на ракетах, ограничены по размеру и весу и позволяют давать лишь короткие экспозиции. Во время недавних экспериментов удалось получить спектр вплоть до длины волны 1000 А, включая
Рис. 49. Спектр Солнца, снятый с высоты 115 км над Нью-Мексико 21 февраля 1955 г. (Исследовательская лаборатория военно-морских сил США.)
две области интенсивного свечения, принадлежащие водороду, в лаборатории овпервые обнаруженные Лайманом (длины волн 1215 А и 1025 А). Кроме того, обнаружено несколько эмиссионных линий углерода и кремния, находящихся в различных стадиях ионизации. Ракеты и спутники позволили также обнаружить присутствие рентгеновского излучения в гораздо большем количестве, чем можно было бы ожидать от абсолютно черного тела при 6000° К1).
х) Более новые снимки спектров, полученные с помощью специальных спектрографов, позволяющих одновременно фотографировать очень большие участки спектра, позволили проникнуть еще дальше в ультрафиолет и обнаружить непрерывное излучение водорода за пределом лаймановской серии (так называемый лаймановский континуум). Аналогичные установки, но в которых регистрация велась с помощью специальных фотоумножителей, позволили получить в виде графика спектр в области 200—1000 А и, таким образом, почти сомкнуть известные участки ультрафиолетового и рентгеновского спектров. В этой области обнаружено крайне интересное и важное для геофизических проблем излучение нейтрального и ионизованного гелия. (Прим, перев.)
- 76 -
До сих пор мы измеряли количество излучаемой энергии в ваттах. Можно было бы использовать и другие единицы,
Рис. 50. Общий вид ультрафиолетового спектра Солнца от 3000 до 1000 А, составленный по снимкам с различными экспозициями, (Р. Таузи, Исследовательская лаборатория военно-морских сил США.)
например, лошадиную силу, равную 746 ваттам, или калорию, равную энергии, необходимой для повышения температуры
Рис. 51. Интенсивность солнечного излучения в различных длинах волн в ультрафиолетовой области спектра; по снимку с ракеты 21 февраля 1955 г.; см.рис. 49. (Исследовательская лаборатория военно-морских сил США.)
1 грамма воды на Г С. Одна калория в секунду эквивалентна
4,18 ватта. Энергия — одна и та же, все равно, электрическая
77 -
она, механическая или тепловая. Мы легко можем превращать один вид энергии в другой.
Иным методом определения солнечной энергии является непосредственное измерение нагревающего действия солнечных лучей. Для этого используются так называемые пиргелиометры, которые бывают различных конструкций. Простейшая из них — наполненная водой полая медная «коробочка от пилюль» с зачерненной поверхностью, чтобы лучше поглощать излучение. Когда это приспособление выставляется на Солнце, поглощаемое им излучение увеличивает температуру воды, что отмечается обычным термометром. Таким путем можно измерить энергию солнечного света. Пулье впервые применил подобный инструмент в 1837 г.
В так называемом пиргелиометре с серебряным диском имеется зачерненный серебряный диск, поглощающий энергию. Применение серебра — самого теплопроводного металла, сводит к минимуму время, необходимое для нагревания помещенного у края диска шарика термометра, сделанного в виде буквы L. На рис. 52 показан такой инструмент, сконструированный Абботом (Смитсоновский институт). Лучи входят в полую защитную трубу и попадают на серебряный диск внизу. Длинная сторона L-образного термометра легко доступна наблюдению и помещается в трубке сверху. Весь аппарат смонтирован на штативе с часовым механизмом, который все время направляет его на Солнце.
Наиболее точные современные пиргелиометры обычно помещаются в своего рода колбу от термоса, которая уменьшает потери тепла. В некоторых системах вода, вместо того чтобы оставаться неподвижной, непрерывно циркулирует, и точные электрические приборы отмечают увеличение ее температуры. Все показания пиргелиометра требуют поправки, учитывающей поглощение в земной атмосфере.
Упомянем кратко еще об одном инструменте — пиранометре (рис. 53, на котором дан общий вид прибора). Под прозрачным колпачком в виде полусферы расположена специальная термопара. Круглый диск, отбрасывающий тень далеко за принимающей поверхностью, затеняет колпачок, так что регистрируется только излучение неба за краем солнечного диска.
Какое преимущество получается от использования этого инструмента? В работе с болометром и пиргелиометром имеются две трудности, о которых мы вскользь упомянули. Теория учета влияния атмосферы по измерениям яркости Солнца на различных зенитных расстояниях предполагает, что состояние атмосферы не меняется в течение всего дня, поэтому, например, нельзя делать наблюдений в не очень ясные дни. Однако, производя одновременные измерения различными методами, Аббот
- 78 —
нашел тесную зависимость между яркостью неба и поглощением в земной атмосфере. Всякий может сам заметить этот эффект. Небо гораздо ярче, когда на нем есть дымка, чем когда ее нет. Следовательно, непосредственные показания пиранометра позво-
Рис. 52. Пиргелиометр с серебряным диском. (Аббот.)
ляют оценить прозрачность атмосферы и получить исправленное значение количества солнечного излучения. Таким путем значи-тельно уменьшается количество труда, необходимого для получения и обработки наблюдений.
В результате многолетних наблюдений Аббот нашел значение солнечной постоянной, как обычно называют количество
- 79 -
Рис. 53. Пиранометр. (Аббот.)
солнечного излучения, падающего за одну минуту на площадку в один квадратный сантиметр, расположенную перпендикулярно к лучам за границей земной амтосферы. Солнечная постоянная равна 1,94 калории на 1 см2 мин. или 1,8 лошадиных сил на квадратный метр. Недавно Джонсон уточнил поправку, учитывающую поглощение в земной атмосфере ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Используя эту поправку, Джонсон получил для солнечной постоянной новое значение, 2,00 калории.
Изменяется ли солнечное излучение? Это — очень важный вопрос, о котором долгое время шли споры. Если солнечное излучение действительно меняется, то это очень важно, ибо такое обстоятельство, возможно, влияет и на Землю. Учитывая заметные изменения солнечной поверхности в течение цикла солнечных пятен, вполне можно ожидать изменений солнечной постоянной. Удивительно, что излучение Солнца так мало меняется. Различные статистические исследования, казалось, позволили обнаружить периодические увеличения и уменьшения солнечного излучения, связанные с 11-летним циклом солнечных пятен: излучение интенсивнее, когда пятен много. Однако самые последние статистические исследования Стерна и Дитер указывают на то, что солнечная постоянная не имеет систематических или периодических изменений, превышающих 0,2%. Совсем не обнаружено одинаковой периодичности по одновременным наблюдениям двух Смитсоновских станций, на Тейбл Монтан в Калифорнии и Монтезума в Чили.
Возможно, что лучшим способом выяснения существования действительных вариаций солнечной постоянной являются точные измерения яркостей планет. Поскольку эти тела светят отраженным солнечным светом, они должны отражать все изменения яркости Солнца наряду с изменениями, связанными с пятнами или неровностями на их поверхностях. В течение небольшого периода наблюдений на Ликской обсерватории Стеббинс нашел, что звездная величина Урана поразительно постоянна. Гарди и Гиклас на Ловелловской обсерватории, изучая Уран и Нептун, нашли, что изменения количества солнечной энергии за пять лет с 1949 по 1954 гг., пб-видимому, меньше 0,4%. Джонсон и Ириарте, продолжая эту работу, обнаружили, что за время с 1954 по 1958 гг. произошел рост солнечной постоянной приблизительно на 2%.
Последние исследования указывают, что солнечное излучение исключительно постоянно (и действительно, нет другой такой звезды, которая была бы так постоянна, как Солнце!). Однако следует помнить, что наши данные относятся только к ограниченной части солнечного излучения. Изменение наэлектризованное™ верхних слоев нашей атмосферы говорит о значи
6 Наше Солнце	— 81 —
тельных изменениях, происходящих в далеком ультрафиолетовом конце спектра. Но здесь мы не можем проводить непосредственных наблюдений вследствие полной непрозрачности озона. Надо надеяться, что выполнение программы запусков искусственных спутников значительно расширит наши знания об этой области солнечного спектра в результате наблюдений, выполняемых за пределами земной атмосферы.
Пока допустим возможность существования флуктуаций ультрафиолетового излучения Солнца. В последней главе этой книги мы рассмотрим земные явления, которые, по-видимому, связаны с этими изменениями.
5
Химия Солнца
В одной из предыдущих глав говорилось о безудержном стремлении борющихся между собою атомов к симметрии при образовании химических соединений. Способность атомов «приклеиваться» друг к другу и образовывать устойчивые молекулы является основой химии. Можно даже сказать, что химия—это борьба атомов.
На земле атомы лениво движутся с небольшими скоростями; например, в сверхмикроскоп можно было бы заметить молекулы воздуха, движущиеся со скоростью около 22 км в минуту. Может показаться парадоксальным называть такие движения «ленивыми». Разумеется, это надо понимать в относительном смысле. В солнечной атмосфере атомы движутся со скоростями в 5, а то и в 10 раз большими, чем на Земле. Ясно, что большие скорости — следствие более высокой температуры Солнца. На самом деле, скорости, или, лучше сказать, энергии, движущихся атомов определяют температуру. Нагревая воду на плите, мы просто сообщаем молекулам большие скорости, большие энергии. Если бы мы могли ускорить их движение каким-нибудь другим способом, температура точно так же увеличилась бы.
- 83 -
6*
Если бы мы могли видеть движение молекул воздуха, нас удивило бы, как часто сталкиваются между собою частицы. Двигаясь хаотически и ничем не управляемые, они опрометчиво обрушиваются друг на друга. К счастью, эластичное электронное облако, окружающее каждое атомное ядро, действует как очень хороший «буфер». В воздухе столкновения редко повреждают молекулы. Чаще всего частица отскакивает и стремительно «бросается» в какую-нибудь другую сторону до тех пор, пока новое столкновение опять не изменит ее пути. Каждая молекула воздуха только за одну секунду сталкивается около 10 миллиардов раз!
Однако при более высоких температурах атомы и молекулы движутся быстрее, и поэтому их столкновения не всегда кончаются так «благополучно». Два автомобиля, движущихся со скоростью восьми километров в час, могут столкнуться, не причинив себе серьезных повреждений. Но увеличьте их скорость до 80 километров в час, и машины разлетятся вдребезги. Энергия возрастает пропорционально квадрату скорости. Столкновение при скорости 80 километров в час не в десять, а в сто раз серьезнее, чем при скорости 8 километров в час. Это —-.простой факт, который шоферы, по-видимому, не вполне сознают.
В солнечной атмосфере в результате столкновений атомы иногда получают «вмятины», а иногда и вовсе разрушаются. Атом водорода, с которым сильно столкнулся какой-то другой «атомный снаряд», может изменить обычный характер своих колебаний на какой-нибудь иной (рис. 36). Но атомы, в отличие от автомобилей, обладают способностью восстанавливать себя. Через долю секунды атом испускает квант энергии и*возвращается в свое исходное устойчивое состояние, заглаживая «вмятины».
Иногда столкновения настолько катастрофичны, что атом совсем теряет свой электрон. После этого восстановление происходит не сразу. Атом, ставший теперь ионом, должен блуждать, пока не встретится с другим свободным электроном. Тогда восстановление происходит автоматически. Водородному атому вет дела до происхождения нового своего электрона: электроны все одинаковы и в свободном состоянии они годятся для любого атома.
Столкновения — не единственный способ сделать «вмятину» или разорвать атом. Как уже говорилось, излучение может играть такую же роль. Атом, поглощающий и излучающий свет, меняет характер своих колебаний на другой, а затем снова возвращается к прежнему. Если возмущающий квант обладает достаточной энергией, т. е. у него достаточно короткая длина волны, то он может ионизовать атом. На Солнце совершаются оба эти процесса. В спектре Солнца видны линии как нейтральных, так и ионизованных атомов.
- 84 -
Спектр Солнца, по существу, непрерывный, т. е. в нем присутствуют лучи всех цветов, начиная от далекого ультрафиолета через видимый спектр до инфракрасного включительно. Однако в результате тщательных исследований можно обнаружить пробелы в некоторых местах (рис. 54). Как указывалось в гл. 3,

Щ CoAlto
47Ж
ДгСа Сг Fe-Sn ф?
Ti
HgHrZnHoMnZn Н
YTi-lo#
Mr
П Мд
$
Сг
¥
Sc
Fs
Ва
5Ш
5Ш
ft
Ca-Fe
Fe
ш
За No. /S(
ш
ш
£ фГ
И :
Ж Cu-Fe £
М Mr 1
.. в
Мп
Ni Fe Со
Fe
Fe Со
АжО j
: Ж
i ?
ш й


М Sr Н

%
н
Ш
А
Ж
5^
ш






и


Рис. 54. Фотография видимого спектра Солнца от фиолетовой области (3900 А) до красной (6900 А), полученная на обсерватории Маунт Вилсон. (Любезно предоставлена редакцией журнала «Скай энд Телескоп».)
в спектре Солнца наблюдаются тысячи темных линий различной интенсивности, получивших название фраунгоферовых линий, по имени обнаружившего их ученого. Некоторые из них, называемые теллурическими линиями, возникают из-за поглощения различными молекулами в земной атмосфере. Остальные образуются в результате поглощения газами оболочки самого Солнца. В настоящей главе мы будем говорить только об этих последних.
Происхождение темных линий долгое время было загадкой для астрономов. По своему положению они в точности соответ-вуют ярким линиям различных химических элементов. Наконец, астрономы убедились, что пробелы излучения представляют собой линии поглощения', атомы более холодных внешних слоев звезды
- 85 -
поглощают из непрерывного излучения более глубоких слоев лучи определенных цветов, соответствующие химической природе различных атомов.
Нам еще не вполне ясно, как возникает непрерывный спектр. (Этот вопрос рассматривается в 6-й главе книги Л. Гольдберга и Л. Аллера, Атомы, звезды и туманности1.) Глубоко в недрах звезд, где плотность вещества очень велика, атомам настолько тесно и так неистово они сталкиваются друг с другом, что им редко удается быть в тех колебательных состояниях, которые характерны для образования линий поглощения. Большая часть поглощения и излучения вызывается тем, что свободно движущиеся электроны постоянно меняют направления и скорости своих движений и случайно на короткое время «прилипают» к какому-нибудь иону или атому нейтрального водорода, образуя, таким образом, отрицательный ион водорода.
«Теснота» в атмосфере Солнца возникает не столько из-за большого количества атомов, сколько вследствие больших скоростей, с которыми они движутся. Церковь, в которой более или менее спокойно сидят 500 человек, совсем не кажется переполненной, тогда как 50 танцующих пар на площадке такого же размера почувствуют себя в страшной тесноте, так как будут часто сталкиваться.
По числу атомов плотность солнечной атмосферы гораздо меньше, чем земной. Поскольку Солнце сплошь состоит из газа, представление о его «атмосфере» нуждается в пояснении. Обычно, говоря о фотосфере — сфере света, мы подразумеваем кажущуюся поверхность Солнца, которая дает непрерывный спектр. Точнее, фотосфера — не резкая граница, а протяженная область. Один слой тончайшей материи лишь слегка затмевает предмет, находящийся за ним. Но тысяча таких слоев непрозрачны как стена. Смотреть в атмосферу Солнца все равно, что рассматривать кучу наложенных друг на друга рулонов этой материи. Взаимодействие электронов с атомами водорода, приводящее к образованию отрицательных ионов водорода, является главным источником непрозрачности в инфракрасной части спектра, тогда как согласно последним исследованиям Варшавского молекулы Н2 играют решающую роль в ультрафиолете. Мы смотрим в глубь слоев газа, где вещество становится практически непрозрачным для нашего взора. Та часть вещества, которая лежит выше зоны полной непрозрачности, и называется солнечной атмосферой.
Как уже указывалось, давление в фотосферных слоях невелико; по-видимому, оно порядка 10% атмосферного давления у поверхности Земли. Учтя, что сила притяжения на Солнце больше, чем на Земле, можно определить, что масса атмосферы,
х) Имеется русский перевод. Гостехиздат, 1948. (Прим, перев.) - 86 -
расположенной над каждым квадратным метром солнечной фотосферы, составляет всего около 20 килограммов. Над квадратным метром Земли — около 10 тонн воздуха или около 1 килограмма на квадратный сантиметр. Общая масса атмосферы Солнца около 100 тысяч миллионов миллионов (1017) тонн. Каким большим ни кажется это число, оно тем не менее всего лишь раз в 20 больше общей массы воздуха, окружающего крошечную Землю.
Очень простой эксперимент подтверждает наше заключение о том, что солнечная атмосфера действительно очень тонка. Растворим щепотку соли (хлористого натрия) в стакане воды. Прокалим проволоку в пламени газовой горелки до тех пор, пока пламя не перестанет быть окрашенным. Затем погрузим проволоку в раствор соли и снова введем ее в пламя. Тогда пламя приобретает ярко-желтый цвет, характерный для натрия. Из эксперимента видно, что в пламя могло попасть лишь ничтожное количество натрия. И все же, если пропустить через пламя белый свет, скажем, от лампы накаливания, то с помощью спектроскопа можно обнаружить линии поглощения значительно большей интенсивности, чем в спектре Солнца. Этот эксперимент показывает, что в солнечной атмосфере количество натрия ничтожно мало. Кроме того, видно, насколько большой чувствительностью обладает спектральный метод и сколь велика способность атомов поглощать свет тех длин волн, которые они сами могут излучать.
Мы пытаемся интерпретировать наблюдаемый солнечный спектр на основе лабораторных исследований спектров различных элементов и теоретических расчетов поглощения и излучения света атомами. В результате определяется, какие и в каком количестве содержатся на Солнце химические элементы. Но поскольку расчеты и теория связаны со слишком специальными вопросами, мы не станем вдаваться в подробности. Сама по себе интенсивность спектральной линии не может служить непосредственным критерием для определения количества излучающего вещества. Атом обладает естественной способностью лучше поглощать лучи некоторых определенных цветов, чем других. Сильное влияние на спектр также оказывает температура. При небольшой температуре газа преобладающая доля атомов совершает наиболее простые колебания. Количество лучей различных цветов, которые способен излучать или поглощать такой атом, весьма ограничено, вследствие чего наблюдается относительно простой спектр, состоящий из немногих линий. Чем больше температура, тем больше возбуждение и большее число атомов перейдет в другие колебательные состояния; поэтому и спектр станет сложнее. Вот почему в спектре Солнца имеются тысячи линий железа различных интенсивностей, от самых сильных до самых слабых.
Астрономы пользуются этим на практике. Они сравнивают интенсивности линий, возникающих только при условии высокого
- 87 -
возбуждения, с интенсивностями обычных линий. Различия этих интенсивностей дают возможность точно измерить температуру источника излучения, в данном случае — солнечной атмосферы. Многие исследователи независимо друг от друга определили эту температуру, изучая спектры с темными фраунгофе-ровыми линиями. Она оказалась равной 4800° К. Это значение почти на 1000° К ниже приведенного в предыдущей главе. Однако цифра 5800° относится к эффективному излучению солнечной поверхности, т. е. фотосферы, тогда как меньшее значение 4800° относится к окружающей атмосфере, в которой возникают темные линии. Эта область условно называется обращающим слоем. Не удивительно, если сама атмосфера несколько холоднее, чем ее основание, хотя различие в 1000° гораздо больше того, что ожидалось астрономами. Ниже мы вернемся еще к этому вопросу.
Химический состав солнечной атмосферы
Одной из целей изучения Солнца является определение химического состава его внешних слоев. Самые интенсивные спектральные линии в видимом спектре Солнца принадлежат атомам ионизованного кальция; это — так называемые линии Н и К Са+. Это не означает, однако, что лишенные одного электрона атомы кальция преобладают в солнечной атмосфере. Мы уже видели, что сама по себе интенсивность линии не является достаточным основанием для такого вывода. Нужно еще учесть температуру, естественную способность данных атомов поглощать излучение и другие факторы.
Оказывается, что водород на Солнце, спектральные линии которого значительно слабее, чем у кальция, на самом деле содержится во много тысяч раз в большем количестве, чем кальций. Подавляющее большинство атомов кальция в атмосфере Солнца находится как раз в таком состоянии, в котором они могут поглощать фиолетовые линии Н и К. Вместе с тем, только один атом водорода из миллиона (точная цифра, правда, нам неизвестна) готов поглотить видимое излучение. Для этого водородный атом предварительно должен быть возбужден до состояния с большой энергией. Но при температуре 5800°, а тем более при 4800°, излучение и энергия столкновений слишком слабы, чтобы возбудить большое количество атомов водорода. Только в спектрах более горячих звезд класса АО, как Сириус или Вега, линии водорода необычайно интенсивны (рис. 55). Линии гелия видны в спектрах еще более горячих звезд, а линии ионизованного гелия — у самых горячих звезд, ибо гелий — один из наиболее «упрямых» атомов, у которого очень трудно возбудить или оторвать электрон.
- 88 -
Хотя температура и играет главную роль в отрыве от атома внешних электронов, для обратного процесса восстановления существенно также давление. Ионизованный атом остается в таком состоянии до тех пор, пока ему не удастся встретить и захватить какой-нибудь проходящий мимо свободный электрон. Ясно, что шансов на это гораздо больше, если вещество плотнее. Из двух объемов газа с одинаковой температурой в том, в котором давление меньше, доля ионизованных атомов относительно больше.
Рис. 55. Спектр звезды класса АО с ярко выраженной серией линий водорода.
Если температура известна и по интенсивностям спектральных линий можно определить количество нейтральных и ионизованных атомов, легко вычислить давление.
Выше отмечалось,.что плотность солнечной атмосферы в 10 раз меньше, чем земной. Такую плотность имеет нейтральный водород у поверхности Солнца. По мере поднятия вверх над нею плотность атмосферы постепенно уменьшается. При этом фотосфера постепенно переходит в расположенную над нею хромосферу. Хромосферу лучше всего видно во время полных солнечных затмений, когда Луна целиком закрывает фотосферу. На короткий миг хромосфера вспыхивает в поле зрения прибора; спектр ее состоит из ярких линий, характерных для разреженного газа. С помощью спектрографа можно сфотографировать тысячи эмиссионных образований, каждое из которых имеет вид яркого серпа и соответствует отдельной спектральной линии (рис. 56). Это — спектр вспышки, названный так за кратковременность своего появления. Он очень похож на обычный Фраунгоферов спектр поглощения1). Однако имеется целый ряд отличий, главным образом в интенсивности линий ионизованных металлов, которые в хромосфере относительно сильнее. Эта большая степень ионизации объясняется, как говорилось выше, более низким давлением в хромосфере.
Однако не только меньшее давление определяет особенности спектра вспышки. Здесь нужно иметь в виду некоторые трудности интерпретации явлений в солнечной атмосфере. В спектре хромо-
В котором темные линии внезапно превратились в яркие. (Прим, перев.)
- 89 -
сферы линии трудно возбуждаемого нейтрального гелия очень интенсивны, хотя в фраунгоферовом спектре поглощения очень немногие из них едва видны.
Рис. 56. Спектр вспышки, принадлежащий солнечной хромосфере и протуберанцам; снят во время затмения 31 августа 1932 г. в Фрейбурге (Майн). (Ликская обсерватория.)
Относительно несложный расчет показывает, что наблюдаемая степень возбуждения гелия может явиться результатом
Рис. 57. Беспорядочные движения излучающих атомов. Спектральная линия, излучаемая атомами сие, смещается к красному концу спектра, а линия, излучаемая атомами b и d,—к фиолетовому. Длина волны излучения атома а не меняется.
действия либо интенсивного ультрафиолетового излучения, либо быстро движущихся электронов. Эти условия, необходимые для возбуждения гелия, не могут возникнуть при обычной температуре Солнца в 5800°. Для свечения линий гелия необходима температура в 20 000 или 25 000°, тогда как для возбуждения различных линий металлов требуется температура в 4000е. Пытаясь объяснить это несоответствие, Эйти и Мензел предположили, что хромосфера состоит из перемешанных между собою «столбиков» горячего и холодного газа. Эта проблема — одна из многочисленных подобных трудностей, воз-
никающих при попытках проанализировать все данные наблюдений и получить из них удовлетворительное представление о строении Солнца и природе его активности.
Чтобы объяснить интенсивность линий поглощения в солнечном спектре, надо решить следующую задачу. Предположим, что имеется
только фотосфера и нет вышележащих слоев атмосферы. Тогда спектр был бы непрерывным, т. е. без темных линий. Теперь
- 90 -
будем вносить один за другим все атомы атмосферы. Как при этом будет происходить образование линий поглощения?
Всякая спектральная линия не вполне точно монохроматична, т. е. состоит из лучей не только строго одного цвета. Отчасти вследствие естественной ширины, отчасти из-за движений атомов, образующих линию, фактически поглощение происходит в некоторой области цветов конечной ширины. Атом, движущийся к наблюдателю, поглощает свет в «крыле» линии или в области чуть более коротких длин волн с фиолетовой стороны спектра;
Рис. 58. Кривая роста. Схематическая диаграмма, показывающая соотношение между эквивалентной шириной W спектральных линий и числом поглощающих атомов N для двух различных дЛин волн. Пунктирная часть линии соответствует большей температуре газа. Если по вертикальной оси откладывать lg W/K (X — длина волны), то обе кривые сольются.
атом, движущийся от наблюдателя, поглощает более длинные волны в «красном» крыле линии. Причина этого явления —эффект Доплера, о котором говорилось выше. Таким образом, при повышении температуры спектральные линии расширяются вследствие увеличения скоростей движущихся атомов.
Миллиард (109) атомов железа обращающего слоя, расположенных над 1 см2, поглощают подобно идеальному вибратору миниатюрной радиоустановки и образуют едва заметную линию поглощения. В узкой области линии задерживается только около 1% света; 10 миллиардов (1010) атомов поглощают уже почти 10% в той же области, тогда как 100 миллиардов (1011) атомов дадут совсем черную линию с почти полным поглощением в центре.
Если и дальше увеличить число атомов в 10 раз, интенсивность линии поглощения увеличится лишь на немного. При этом говорят, что она насыщена', другими словами, она уже не может
— 91 -
быть «чернее» в центре, и дальнейшее поглощение главным образом сводится к незначительному расширению линии.
Для измерения поглощения вводится понятие эквивалентной ширины. Это — выраженная в ангстремах ширина линии в виде совершенно черного прямоугольника, вырезающего из спектра столько же энергии, сколько и настоящая линия (см. Гольдберг и Аллер, гл. 6). Графическое изображение зависимости эквивалентной ширины, обозначаемой через W, от числа поглощающих
Рис. 59. Голландский астрофизик М. Миннарт.
Рис. 60. Генри Норрис Рессел. (Фотография Оррена Джека Тёрнера.)
атомов называется кривой роста. Теоретическая кривая (рис. 58) вначале идет резко вверх. Это соответствует небольшим значениям числа атомов N. Затем она идет более полого на некотором участке и, наконец, снова поднимается вверх.
Детали этой кривой особенно интересны для специалиста. Ее теория разработана многими исследователями, а первая работа была предпринята голландскими астрономами Миннартом и Сло-бом. Оказалось, что кривая роста является основой интерпретации солнечного и звездных спектров и методом количественного химического анализа. Величины W получаются из измерений. Предположим, мы нашли в солнечном спектре линию с IF, равной 1 А. Тогда по кривой находим, что требуется примерно 1014 атомов над квадратным сантиметром для получения линии такой интенсивности при длине волны 6000 А.
- 92 -
Разумеется, задача гораздо сложнее, чем описано выше. Атомы редко ведут себя как рассматривавшиеся идеализированные колеблющиеся заряды. Прежде всего следует внести исправление за действительную поглощающую силу атома в данной линии, азатем учесть влияние температуры. В результате получается спектроскопическое определение химического состава солнечной атмосферы.
Первые исчерпывающие определения относительного содержания элементов на Солнце были сделаны в Принстоне в 1929 г.
Земле (крестики) и на Солнце (кружки) по числу атомов, а не по общему весу. Количество атомов выражено в произвольных единицах. Вертикальная шкала логарифмическая, т. е. число 7, например, означает 107 атомов, число 4 — 104 атомов и т. д. Содержание элементов на Солнце взято из работ Миннарта, Гунартса и Унзольда. Содержание элементов на Земле — по данным Вашингтона и Кларка; оно относится исключительно к составу земной коры.
Ресселом, который вместо кривой роста использовал полученные Роландом оценки интенсивностей солнечных линий. Рессел не мог в то время воспользоваться более точным методом кривой роста.
Полученные результаты интересно сравнить с химическим составом земной коры (рис. 61). Относительное содержание тяжелых элементов (металлов) на Солнце и на Земле довольно хорошо совпадает. Зато на Солнце заметно больше легких элементов. Наиболее резкое различие —в содержании водорода и гелия. По правде говоря, количество гелия на Солнце известно весьма ненадежно. Оно очень чувствительно к * небольшим ошибкам значения температуры. Если гелий совсем не учитывать, можно
- 93 -
сказать, что солнечная атмосфера состоит из чистого водорода. Повторяем: газ на Солнце химически чистый, но не спектрально чистый водород.
Таблица 1
Содержание элементов в солнечной атмосфере
	Содержание	
	по объему (%)	по массе (мг/см%)
Водород 		81,760	1200
Гелий 		18,170	1000
Углерод 		0,003000	0,5
Азот 		0,010000	2,0
Кислород 		0,030000	10,0
Натрий 		0,000300	0,1
Магний	0,020000	10,0
Алюминий		0,000200	0,1
Кремний 		0,006000	3,0
Сера 		0,003000	1,0
Калий 		0,000010	0,003
Кальций 		0,000300	0,2
Титан 		0,000003	0,003
Ванадий 		0,000001	0,001
Хром 		0,000006	0,005
Марганец 		0,000010	0,01
Железо 		0,000800	0,6
Кобальт 		0,000001	0,004
Никель 		0,000200	0,2
Медь 		0,000002	0,002 '
Цинк		0,000030	0,03
Из книги Гольдберга и Аллера: Атомы, звезды и туманности.
Как хорошо известно химикам, между этими двумя понятиями имеется огромное различие. Спектроскоп настолько чувствителен к малейшей примеси, что, скажем, если фунт химически чистого вещества стоит 10 центов, то спектрально чистое вещество значительно дороже: 500 долларов за унцию1).
Это поразительное химическое различие между Землей и Солнцем порождает много вопросов. Тот факт, что водород, по-видимому, так же как и на Солнце, преобладает во всей вселенной, усиливает аномалию. В отношении нашей Земли произошла какая-то ошибка.
Объяснение этого должно дать ключ к пониманию общего направления эволюции. Возможно, что в эпоху формирования
х) В долларе 100 центов, а в фунте — 16 унций. (Прим, перев.) - 94 -
Земля обладала обычным содержанием водорода. Потом, все еще на ранней стадии эволюции, легкие элементы исчезли, улетучившись как-то в пространство. Таким путем наша Луна, как и планета Меркурий, совсем лишилась своей атмосферы. У Марса остались лишь следы окружающих газов. Этот процесс был своего рода дистилляцией, в результате которой менее массивные планеты потеряли по крайней мере наиболее легкие газы.
Тот факт, что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, по-видимому, удержали большую часть своего первоначального водорода.
как будто подтверждает эту точку зрения. В спектроскоп можно заметить, что аммиак (NH3) и метан (СН4) — наиболее обильные газы в атмосферах этих планет-гигантов.
Однако как показал Койпер, этой теории противоречит крупный спутник Сатурна, Титан, также обладающий аммиачно-метановой оболочкой. Он не больше Меркурия, потерявшего всю свою атмосферу! Меркурий находится рядом с Солнцем, а Титан далеко от него, в глубинах холодного пространства. Но если этот спутник был
Рис. 62. Голландский астрофизик А. Паннекук, прославившийся изучением физических условий в атмосферах Солнца и звезд.
когда-нибудь расплавленным, он должен был потерять водород, присутствие которого сейчас наблюдается.
Крониг предложил другую гипотезу. Земной водород
не «растворился» в пространстве, а вошел внутрь. Горячие горные породы под достаточно большим давлением могут, заметно не увеличивая плотности, поглощать большие количества
водорода.
Астроном, перед которым открыта вся вселенная для научных исследований, может только выразить сочувствие земным физикам и химикам, чьи горизонты так ограничены. Маленькое пятнышко пыли, именуемое Землей, имеет только одну отличающую ее от остальной части вселенной черту — аномальное химическое и физическое состояние. Не только ее химический состав является нетипичным для вселенной. Ее температурные условия также исключительны. Они занимают промежуточное место между холодным и горячим состоянием.
— 95 -
Большая часть вещества вселенной заключена в звездах и обладает большой температурой вследствие выделения ядерной энергии в недрах звезд. Вещество ничтожной плотности, рассеянное в огромном пространстве между звездами и галактиками, чрезвычайно холодное. Его температура всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Исключительные температурные условия на Земле, отличающие ее от остальной части космоса, привели к величайшей аномалии — наличию на ее поверхности жизни. Мы упоминаем здесь об этом, ибо жизнь есть также одно из проявлений солнечной химии. Таинственный реактив, хлорофилл, выхватывает энергию из луча солнечного света и запирает ее в клетки растущего растения. Фотосинтез — химия с помощью света —делает возможной жизнь.
Но до сих пор наука не дала ответа на величайший из всех вопросов: где и как возникла жизнь? Окаменелости, обнаруживаемые в горных породах, позволяют восстановить широкую панораму эволюционной последовательности от простейших животных до человека. Хоть и неясны еще подробности процесса развития, все же несомненно, что в них принимало участие солнечное излучение.
Если жизнь началась подобно самовозгоранию, то толчком к этому были-бы химические силы. Мы видим, что часть необходимых для жизни ингредиентов (вода, аммиак) образуется естественным путем. Возможно, что в теплых морях доисторической эры на протяжении чрезвычайно большого промежутка времени, за который могло произойти даже нечто весьма мало вероятное, образовалась огромная молекула протоплазмы; мы говорим огромная по сравнению с мельчайшими атомами. Юри из Чикагского университета недавно предложил возможную схему такого явления в виде ряда химических процессов.
И тогда произошло самое таинственное из всех событий. Молекула; заряженная энергией ультрафиолетового кванта или космического луча, внезапно начала притягивать к себе другое вещество. Подбирая атом за атомом, маленькое живое существо по своему образу и подобию создало своего двойника, наконец разделилось надвое и этим положило начало самой большой и самой сложной из всех цепных реакций — биологическому воспроизводству.
Мы не свидетели описанного выше события и не можем дать гарантию, что все подробности верны. Это произошло, вероятно, 1,5 миллиарда лет назад. Много миллионов лет одинокие клетки развивались своим путем, прежде чем, возможно, 550 миллионов лет назад появились червеобразные беспозвоночные, а через каких-нибудь 150 миллионов лет рыбы. Лягушки и жабы возникли около 300 миллионов лет назад. Потом динозавры и прочие ги-
- 96 -
гантские пресмыкающиеся господствовали примерно от 200 до 60 миллионов лет назад. Они исчезли с началом эволюции млекопитающих.
Самый древний, первобытный человек появился, по-видимому, 1,5 миллиона лет назад, а современный человек, Homo sapiens, живет уже примерно 25 000 лет. Таким образом, человеческая раса участвовала в игре на сцене жизни в течение только 1/5ООоо от всего времени спектакля. Если бы спектакль, как обычно, занимал три часа вместо 1,5 миллиарда лет, то соответствующее время, отведенное человеку, составило бы только 1/5 секунды! Л1ы сами пришли к выводу, что только проскользнули по сцене. Не пустяк ли это, о котором даже не стоит говорить?
7 Наше Солнце
6
Солнечные пятна — магнитные острова
Солнечные пятна излучают меньше света и тепла, чем окружающие области поверхности Солнца (см. гл. 2). Поэтому их центральные части кажутся относительно темными. Но не следует думать, что пятно совсем черное. Пятно дает около 10% энергии, излучаемой поверхностью Солнца такого же размера. В области видимого спектра эта доля несколько меньше. Если бы по мановению волшебной палочки можно было «погасить» все Солнце за исключением только одной большой группы пятен, Земля вовсе не оказалась бы погруженной во мрак. Пятно светило бы в 100 раз сильнее, чем полная Луна. На него как и на Солнце, нельзя было бы смотреть незащищенным глазом.
Отдельные пятна сильно различаются по своим размерам и продолжительности существования. Часто наблюдаются мелкие «поры» с поперечником в несколько сотен километров, что находится на пределе разрешающей силы телескопа. Если бы можно было применять более мощные телескопы, возможно, обнаружились
7е
- 99 -
Рис/63. Волокнистая структура полутени пятен большой группы, наблюдавшейся 6 апреля 1947 г. (см. рис. 18). Обратите внимание на неровные края полутени и яркие «мосты», пересекающие самые большие пятна. Заметна грануляция солнечной поверхности. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
Рис. 64. Солнце во время максимума пятен (30 ноября 1929 г.) и минимума (22 июня 1931 г.), когда пятен совсем не было. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
бы и более мелкие, похожие на пятна образования. Но интереснее большие пятна и группы пятен, появляющиеся и исчезающие на диске Солнца. Какова их природа? Как они возникают? И, кроме всего, что вызывает 11-летний период изменения количества пятен?
Число пятен меняется изо дня в день, из года в год. В среднем, между двумя соседними максимумами солнечных пятен и хорошо заметным минимумом между ними проходит 11 лет. В эпоху минимума в течение многих дней на диске Солнца может совсем не быть даже едва заметных пятен.
«Чернота» пятна показывает, что оно должно быть холоднее окружающих частей поверхности Солнца. Однако это не единственный аргумент в пользу более низкой его температуры. Так, например, в спектрах пятен видны молекулярные спектральные линии. При более высокой температуре обращающего слоя эти молекулы полностью диссоциируют, т. е. распадаются на составляющие их атомы. Кроме того, в пятнах усилены характерные для низких температур линии нейтральных металлов и ослаблены линии, соответствующие большему возбуждению. Различные наблюдения указывают, что температура пятна — около 4000° С, что примерно на 2000° меньше температуры солнечной фотосферы.
Темная центральная часть пятна или тень резко отличается от более яркой волокнистой полутени. Полутень обладает очень резким и неправильным внешним краем. Иногда яркие полсски, подобные светлым местам, пересекгют пятно, разделяя тень надвое. Это часто наблюдается в больших пятнах. Явление, по-видимому, вызывается присутствием вещества яркого протуберанца; о нем подробнее будет сказано в гл. 7. В действительности тень не разделяется. Светлый «мост» расположен в атмосфере выше пятна.
Наблюдения солнечных пятен
Первые записи о солнечных пятнах относятся к глубокой древности. В китайских летописях упоминается о «летающих птицах», наблюдавшихся на солнечном диске; их описания ясно показывают, что это не что иное, как большие группы пятен, доступные наблюдению невооруженным глазом. Чтобы быть таким заметным, пятно (или группа пятен) должно иметь по меньшей мере 40 000 км в поперечнике. Несколько таких доступных невооруженному глазу групп появляется во время каждого максимума солнечных пятен.
Самые ранние китайские записи о пятнах, наблюдавшихся невооруженным глазом, были сделаны в 28 г. до н. э. Сартон
- 101 -
составил список упоминаний о пятнах, опубликованных между 807 и 1633 гг. Темное пятно, появившееся около 807 г., рассматривалось как предсказание смерти императора Карла Великого, наступившей через семь лет.
Большинство наблюдавших пятна в этот период средневековья приписывали их прохождениям планет Меркурия и Венеры по диску Солнца. Даже Кеплер объяснял пятна, наблюдавшиеся 18 мая 1607 г., прохождением Меркурия. Так старые суеверные представления о «чистоте» Солнца искажали мышление ранних наблюдателей.
Галилей произвел с помощью телескопа первые действительно научные наблюдения Солнца и понял, что пятна должны быть явлением,’присущим поверхности Солнца. Он заметил, что они образуются и исчезают на самом Солнце. Кроме того, он обнаружил, что они постепенно перемещаются по солнечному диску, что Галилей совершенно правильно объяснил вращением Солнца.
Рис. 65. Схема вращения Солнца: слева — пятна, расположенные вдоль меридиана; справа — распределение пятен после одного оборота Солнца вокруг своей оси; пятна на экваторе оказались впереди всех остальных.
Однако это вращение Солнца вокруг своей оси происходит не так, как у твердого тела. Скорость вращения постепенно уменьшается от экватора к полюсам. Если бы можно было выстроить в одну линию ряд пятен вдоль меридиана и дать им старт, как бегунам на гонках, состязание выиграли бы экваториальные пятна (рис. 65). Они совершают полный оборот приблизительно за 25 дней, тогда как на широте 40° для полного оборота требуется около 27 дней.
Пятна редко наблюдаются на широтах больших 35°, и их почти никогда не бывает выше 40°. В августе 1956 г. в период большой солнечной активности наблюдался беспрецедентный случай, когда группа пятен появилась на расстоянии 50° от экватора. Однако подавляющее большинство пятен появляется между 5 и 30*
- 102 —
1947 г,
Оршрша
в марша 1
7 марта
3 парат
О fcapma
10 марта
11 марта
W;Wa
/J марта
ti нартаг
10 марта
13 м ар та
ОШчнё 4 марша
л

Аг Ж* JL Ж Ж
Ж * ж dt JL
Ж
31 марта 1947 г
/
appmrn Ш7 г
2' апрш
3 апреля
4 апреля
ё апреля
3 апреля
7
8
9
апреля
аяр&
Ш1рШ
10 аарегт
И алреа^
72 апреля
70, яррор ят:.. _
Рис. 66. Вращение Сслнца, наблюдавшееся по большой группе солнечных пятен в марте — апреле 1947 г. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
Рис. 67. Закон Шперера распределения солнечных пятен по широте. В течение цикла зона пятнообразо-вания смещается к экватору. («Скай энд Телескоп».)
северной и южной широт. В полярных зонах их нет. Для определения периода вращения на больших широтах пользуются спек-
тральным методом, основанным на эффекте Доплера. В табл. 2 дано количество дней, за которое происходит полный оборот Солнца на различных широтах. Результаты получены Никольсоном и Уэр по наблюдению пятен на обсерватории Маунт Вилсон; они использовали для этой цели только отдельные долго существовавшие пятна. Эти данные оказываются несколь-
ко больше значений, полу-
ченных на Гринвичской обсерватории по долго живущим группам пятен. Спектральные измерения вращения Солнца сделаны Адамсом на обсерватории Маунт Вилсон.
Таблица 2
Период вращения Солнца на разных широтах
Широта (градусы)	Период по пятнам , (в днях)	Спектральные определения
0	25,14	24,64
15	25,50	25,41
30	25,53	26,45
45		28,54
60		30,99
75		33,07
Цикл солнечных пятен
В начале одиннадцати летнего цикла большая часть пятен расположена на широтах от 20 до 30°. По мере развития цикла зоны образования пятен медленно смещаются к экватору; этот закон был открыт Кэррингтоном около 100 лет назад и прослежен Шперером по старым наблюдениям вплоть до 1621 г. В эпоху минимума солнечных пятен иногда одновременно обнаруживаются пятна старого и нового циклов. Оба цикла легко различить не только по положению пятен надиске Солнца, но и по характерному магнитному эффекту, о котором будет сказано ниже.
Цикл солнечных пятен не точно периодический. Средний интервал между максимумами (или минимумами) составляет 11,2 года, но продолжительность отдельных циклов варьирует от 7,5 до 16 лет. Промежуток времени от минимума до максимума обычно короче (5,2 года), чем от максимума до минимума (6,0 года).
Изменение количества пятен было отмечено вскоре после их открытия, но периодический характер этих изменений оставался неизвестным до 1843 г., когда Швабе опубликовал результаты своих 17-летних исследований. Позже исследование продолжил Вольф из Цюриха, использовав много старых наблюдений пятен, которые позволили ему проследить назад изменение количества пятен, почти до момента их открытия в 1610 г. Впоследствии Вольфер, Бруннер и Вальдмейер продолжили эту важную работу. Многие наблюдатели, как любители, так и профессионалы, и по сей день участвуют в изучении этого вопроса.
105 -
Вольф ввел условную меру солнечной активности —число солнечных пятен г) /?, равное
£ = £(f+10 g),
где g — количество возмущенных областей или групп пятен; f — общее число отдельных пятен; k — множитель, зависящий от методов наблюдений и размеров телескопа.
Посмотрим, как получается это число. Допустим, что замечено две группы, каждая из которых состоит из двух пятен,
Таблица 3
Числа солнечных пятен
Год	R	Год	R	Год	R	Год	R	Год	R	Год	R
1749	80,9	1784	10,2	1819	23,9	1854	20,6	1889	6,3	1924	16,7
1750	83,4	1785	24,1	1820	15,7	1855	6,7	1890	7,1	1925	44,3
1751	47,7	1786	82,9	1821	6,6	1856	4,3	1891	35,6	1926	63,9
1752	47,8	1787	132,0	1822	4,0	1857	22,8	1892	73,0	1927	69,0
1753	30,7	1788	130,9	1823	1,8	1858	54,8	1893	84,9	1928	77,8
1754	12,2	1789	118,1	1824	8,5	1859	93,8	1894	78,0	1929	65,0
1755	9,6	1790	89,9	1825	16,6	1860	95,7	1895	64,0	1930	35,7
1756	10,2	1791	66,6	1826	36,3	1861	77,2	1896	41,8	1931	21,2
1757	32,4	1792	60,0	1827	49,7	1862	59,1	1897	26,2	1932	П,1
1758	47,6	1793	46,9	1828	62,5	1863	44,0	1898	26,7	1933	5,6
1759	54,0	1794	41,0	1829	67,0	1864	47,0	1899	12,1	1934	8,7
1760	62,9	1795	21,3	1830	71,0	1865	30,5	1900	9,5	1935	36,0
1761	85,9	1796	16,0	1831	47,8	1866	16,3	1901	2,7	1936	79,7
1762	61,2	1797	6,4	1832	27,5	1867	7,3	1902	5,0	1937	114,4
1763	45,1	1798	4,1	1833	8,5	1868	37,3	1903	24,4	1938	109,6
1764	36,4	1799	6,8	1834	13,2	1869	73,9	1904	42,0	1939	88,8
1765	20,9	1800	14,5	1835	56,9	1870	139,1	1905	63,5	1940	67,8
1766	11,4	1801	34,0	1836	121,5	1871	111,2	1906	53,8	1941	47,5
1767	37,8	1802	45,0	1837	138,3	1872	101,7	1907	62,0	1942	30,6
1768	69,8	1803	43,1	1838	103,2	1873	66,3	1908	48,5	1943	16,3
1769	106,1	1804	47,5	1839	85,8	1874	44,7	1909	43,9	1944	9,6
1770	100,8	1805	42,2	1840	63,2	1875	17,1	1910	18,6	1945	33,1
1771	81,6	1806	28,1	1841	36,8	1876	11,3	1911	5,7	1946	92,5
1772	66,5	1807	10,1	1842	24,2	1877	12,3	1912	3,6	1947	151,5
1773	34,8	1808	8,1	1843	10,7	1878	3,4	1913	1,4	1948	136,2
1774	30,6	1809	2,5	1844	15,0	1879	6,0	1914	9,6	1949	134,7
1775	7,0	1810	0,0	1845	40,1	1880	32,3	1915	47,4	1950	83,9
1776	19,8	1811	1,4	1846	61,5	1881	54,3	1916	57,1	1951	69,4
1777	92,5	1812	5,0	1847	98,5	1882	59,7	1917	103,9	1952	31,5
1778	154,4	1813	12,2	1848	124,3	1883	63,7	1918	80,6	1953	13,9
1779	125,9	1814	13,9	1849	95,9	1884	63,5	1919	63,6	1954	4,4
1780	84,8	1815	35,4	1850	66,5	1885	52,2	1920	37,6	1955	38,0
1781	68,1	1816	45,8	1851	64,5	1886	25,4	1921	26,1	1956	141,7
1782	38,5	1817	41,1	1852	54,2	1887	13,1	1922	14,2	1957	190,2
1783	22,8	1818	30,4	1853	39,0	1888	6,8	1923	5,8	1958	184,6
!) Так называемое число Вольфа. (Прим, перев.)
106 —
и одно отдельное пятно. Тогда g=3, а /=5, что дает /+10 g=35. Для соответствия наших результатов с результатами других наблюдателей отдельные значения для большого числа дней сравниваются с данными, публикуемыми в Цюрихе, куда все записи посылаются для обработки. Значение k для наших наблюдений определяется в Цюрихе, чтобы привести наши наблюдения в соответствие с принятым там стандартом.
Эта процедура несколько произвольна. В крупный телескоп можно заметить относительно больше слабых пятен, чем в слабой.
Тем не менее, данные многих наблюдателей имеют большое значение. Средние месячные данные лучше, чем ежедневные значения, а еще лучше—среднегодовые. В табл. 3 даются среднегодовые числа пятен, начиная с 1749 г.
Однако числа пятен не являются вполне точными характеристиками солнечной активности. Ранние оценки, полученные Вольфом по отрывочным записям, по-видимому, верно отражают общий периодический характер явления, но величина отдельных максимумов не заслуживает слишком большого доверия. Преувеличивается также роль небольших возмущений. Типичной группе из двух солнечных пятен, если ее рассматривать как одно
107 —
возмущение на Солнце, соответствует число 12. Добавьте сюда отдельное маленькое пятнышко где-нибудь в другом месте поверхности Солнца, и число сразу увеличится до 23, т. е. почти вдвое. Поэтому такая система заведомо искусственна. Можно было бы заменить ее другой, если бы не имели исторического значения'ста-рые наблюдения. Несколько более объективным показателем солнечной активности является общая площадь всех пятен, включая как тень, так и полутень. Этот критерий используется в Гринвиче для обработки фотографических наблюдений. Соответствие между ежедневными числами и площадями пятен неважное; однако для среднемесячных или среднегодовых оно становится гораздо лучшим, что оправдывает применение чисел Вольфа.
На этом закончим рассмотрение изменчивости солнечных пятен и перейдем к характеристике отдельных пятен.
Магнитные поля
Как уже говорилось, иногда наблюдается быстрый рост или распад группы пятен. Еще поразительнее часто наблюдаемое повторное появление пятна на прежнем месте. Такое поведение наводит на мысль, что возмущенные области, какими, без сомнения, являются районы пятен, постояннее, чем отдельные пятна.
В 1908 г. Хейл обнаружил, что солнечные пятна обладают интенсивными магнитными полями. Доказательства этому просты и убедительны. Магнитное поле расщепляет обычные спектральные линии атомов на множество составляющих. Это явление, , наблюдаемое в лабораториях, носит название эффекта Зеемана по имени голландского физика, открывшего его в 1896 г.
Под влиянием магнитного поля линии не только расщепляются. Отдельные их составляющие поляризуются; их световые колебания происходят в определенных направлениях, соответствующих магнитному полю. В гл. 3 говорилось, что световые волны — электромагнитное явление, вызываемое вибрациями электронов. Электрон может вибрировать одним из бесконечно разнообразных способов. Простейшее колебание — движение взад и вперед вдоль прямой. Если держать в руке длинную веревку и дергать ее попеременно вверх и вниз, вдоль веревки пойдет от руки вертикальная волна. Такие волны называются вертикально поляризованными, т. е. они распространяются в вертикальной плоскости, называемой плоскостью поляризации. Если двигать руку с веревкой горизонтально, параллельно поверхности Земли, вдоль веревки пойдут горизонтально поляризованные волны. Как вертикальные, так и горизонтальные волны являются плоско поляризованными.
Если теперь совершать движение рукой по кругу, веревка принимает вид спирали. Круговое движение распространяется
— 108 —
от руки вдоль веревки. Электрон, движущийся таким образом, излучает свет, называемый поляризованным по кругу. А если колебание происходит по эллипсу, эффект носит название эллиптической поляризации.В некоторых отношениях пример с веревкой несовершенен. Электрон излучает во всех направлениях, а не только в одном. Представим себе, что электрон положен в огромную сферическую паутину, каждая нить которой привязана к электрону. Теперь, когда электрон движется, волны распространяются вдоль паутины по всем направлениям.
Колебания интенсивнее всего в направлении, перпендикулярном к движению электрона. Нити, расположенные вдоль движения, попеременно то вытягиваются, то сжимаются, но распространяющихся наружу волн в них не образуется. Подобно этому вибрирующий электрон не излучает света в направлении своего движения. Кружащийся электрон испускает свет, поляризованный по кругу, в направлениях, откуда его орбита выглядит кругом. Соответственно свет эллиптически поляризован в точках, откуда орбита кажется эллипсом, и плоско поляризован, если она видна с ребра, т. е. кажется линией.
Отдельный атом обычно излучает поляризованный свет. Однако в большой массе газа атомы расположены хаотично. Поэтому поляризация света, излучаемого всеми этими атомами, непрерывно меняется. Такой свет называется неполяризованным.
Магнитное поле заставляет атомы ориентироваться определенным образом. Излучающие колеблющиеся электроны движутся уже не как угодно. В сильном магнитном поле, например, между полюсами электромагнита, электроны имеют тенденцию либо колебаться вдоль поля, либо по окружности вокруг силовой линии. Возникающая в такой области спектральная линия расщепляется в простейшем случае на три компонента. Центральный компонент получается от электронов, колеблющихся вдоль магнитного поля. Два крайних компонента соответствуют электронам, движущимся вокруг поля по и против часовой стрелки.
Характер поляризации зависит от направления, по которому мы смотрим на излучающие атомы. Если просверлить отверстие в полюсе магнита и смотреть вдоль магнитного поля на источник излучения, находящийся между полюсами, оба крайних компонента оказываются поляризованными по кругу. При этом средний компонент виден не будет, так как колебания соответствующих электронов происходят вдоль луча зрения. Если смотреть на источник света перпендикулярно к магнитному полю, все три компонента будут казаться плоско полярйзованными, причем средний — параллельно, а оба крайних — перпендикулярно к полю.
Некоторые спектральные линии в магнитном поле расщепляются именно таким простым образом на три линии (триплет).
- 109 -
Однако у большинства линий более сложный тип расщепления. Каждый из трех основных компонентов в свою очередь расщепляется на ряд симметрично расположенных вторичных компонентов. На рисунках 69 и 70 даны примеры сложных эффектов
Рис. 69. Эффект Зеемана у гадолиния. Виден характер явления для четырех линий, каждая из которых под влиянием магнитного поля расщепляется на множество компонентов. (Лаборатория спектроскопии Массачусетского технологического института.)
Зеемана. На рис. 69 явление показано полностью; на рис. 70 с помощью поляроидов разделены «параллельные» (внутренние) компоненты и «перпендикулярные» (внешние).
Комбинация расщепления и поляризации дает однозначную картину. Ее могут вызвать только магнитные поля. Когда Хейл нашел в спектрах солнечных пятен такие же расщепления спектральных линий и чередование поляризации, как и в лаборатор-
- ПО -
ном эффекте Зеемана, не оставалось никакого сомнения, что в солнечных пятнах присутствуют сильные магнитные поля.
В пятне вблизи центра солнечного диска спектральные линии расщепляются на две, поляризованные по кругу. В пятне на краю Солнца наблюдаются три плоско поляризованных компонента. Из этих наблюдений следует, что магнитное поле пятна направлено перпендикулярно к поверхности Солнца. У границы пятна силовые линии загибаются и возвращаются к поверхности . Форма магнитного поля несколько напоминает форму отдельных струй
Рис. 70. Эффект Зеемана у родия. В центре —нерасщепленные линии без магнитного поля. Выше и ниже — так называемые перпендикулярно поляризованные компоненты. По краям сверху и снизу — параллельно поляризованные компоненты. Магнитное поле для нижней пары изображений больше магнитного поля для верхней пары, поэтому у нижних спектров сильнее магнитное расщепление. (Лаборатория спектроскопии Массачусетского технологического института.)
воды, разбрызгиваемых неподвижной установкой для поливки газона. С помощью спектральных наблюдений можно составить подробную карту распределения магнитного поля в любой области пятен. Можно определить интенсивность поля и характер полярности (северная или южная). Никольсон и его сотрудники из обсерватории Маунт Вилсон регулярно измеряли и публиковали магнитные характеристики всех пятен, начиная с 1917 г.
В общем случае магнитные поля могут возникнуть только в результате действия электрических токов внутри среды. Даже в обычных подковообразных постоянных магнитах действуют электрические токи. Их вызывают электроны, движущиеся вокруг своих атомных ядер. Будучи каким-то образом одинаково ориентированы, оси мельчайших атомных магнитов остаются в том же положении благодаря жесткости стали. Простое нагревание металла уничтожает эту упорядоченность, и подкова размагни-
111 -
чивается. При огромной температуре на Солнце, где отдельные атомы движутся совершенно свободно, упорядоченность никак не может возникнуть. По-видимому, единственно приемлемой гипотезой возникновения полей пятен является действие циркулирующих в солнечной атмосфере электрических токов значительно более крупного масштаба, чем размер атомов.
Изучение спектра Солнца говорит о наличии большого количества ионизованных атомов. Каждый йон дает свободный электрон. Ну, а если бы пятна были вращающимися вихрями, не могли бы тогда магнитные поля возникать естественным образом? Оказывается, нет, хотя и не без серьезных оговорок. Верно, что вращающиеся электроны вызывают магнитное поле. Но каждому отрицательно заряженному электрону соответствует положительный ион с таким же электрическим зарядом. Вращение положительных зарядов также вызывает магнитное поле, противоположное полю, вызываемому электронами. Оба эти поля, налагаясь, взаимно уничтожаются. Таким образом, ионизация газа не приводит к образованию магнитного по
ля, если только не возникнет избытка одних зарядов над другими. Далее, имеется естественная тенденция электронов «убегать» от Солнца. Эти частицы неизмеримо легче атомов и движутся значительно быстрее. Иногда им удается преодолеть силу солнечного притяжения. Поэтому можно было бы ожидать, что Солнце обладает положительным зарядом, ибо некоторые отрицательные электроны покинули его. Но как показал много лет назад Линдеман, а позже подтвердил Милн, Солнце, если оно положительно заряжено, оказывает электрическое влияние, притягивая отрицательные электроны и тем самым препятствуя их убеганию. Поэтому никогда не может оказаться большого различия между количеством положительных и отрицательных зарядов. Солнце должно быть электрически нейтральным с такой боль
Рис. 71. Эффект Зеемана в солнечном пятне. Положение щели спектрографа по отношению к пятну показано черной линией на правом снимке. На левом — вертикальная полоса — солнечная линия поглощения. Заметно расщепление ее на три компонента в области солнечного пятна. Горизонтальные линии — границы раздела полосок специального поляризационного фильтра, который гасит то левый, то правый компонент магнитного расщепления одной из линий спектра, изображенного на рис. 72. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
— 112 —
шой точностью, что вращательное движение газов не в состоянии оказать ни малейшего влияния на наблюдаемые магнитные поля.
По-видимому, остается только одна возможность. Магнитные поля должны вызываться действительно имеющимися круговыми
Рис. 72. Часть спектра солнечного пятна, полученного тем же способом, что и рис. 71. Верх и низ каждой полосы представляет обычный солнечный спектр; спектр пятна в середине полос. Зубчатая форма линий в пятне происходит из-за чередования различно поляризованных компонентов, пропускаемых специальным фильтром. Некоторые линии в спектре пятна сильнее, чем в спектре Солнца, другие, наоборот,— слабее. Две интенсивные линии в самом низу справа — хорошо известные желтые линии натрия. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
электрическими токами. Электроны вследствие своей большей, чем у ионов, подвижности следуют за остальными атомами и образуют магнитные поля так же точно, как движущиеся по кругу электроны образуют магнитное поле в электромагните. Единственное основное различие заключается .в том, что течения на Солнце происходят в свободном пространстве или проходят
8 Наше Солнце
- 113 -
через газообразную среду, а не ограничены телом металлического проводника.
По величине магнитного поля можно судить о силе электрических токов, необходимых для поддержания поля. Простая петля из проволоки радиусом 0,628 см, через которую пропущен ток в один ампер, создает в центре магнитное поле в один гаусс, являющийся стандартной единицей для подобных измерений.
Рис. 73. Магнитограммы — карты, показывающие распределение по диску Солнца интенсивности и полярности слабых магнитных полей в солнечной фотосфере в стороне от пятен. Эти записи сделаны автоматически с помощью системы развертки, использующей поляризационный анализатор, мощный спектрограф и чувствительный фотоэлектрический приемник радиации. Измеряется продольная составляющая магнитного поля с помощью эффекта Зеемана. Направление отклонения от горизонтальной прямой определяет полярность. Расстояния между горизонталями соответствуют напряженности поля около 1 гаусса. Небольшие отклонения в противоположные стороны у северного и южного полюсов — признак существования общего магнитного поля Солнца. Большие участки вблизи экватора — характерные биполярные магнитные области (В7И), в которых иногда возникают пятна. Север — вверху, восток —справа. (Гарольд и Гораций
Бэбкоки, обсерватория Маунт Вилсон.)
Напряженность магнитных полей больших солнечных пятен достигает 2500—3000 гаусс на площади в несколько сотен миллионов квадратных километров. Солнечное пятно следует рассматривать как огромный электромагнит. Согласно расчетам общая сила тока, необходимого для создания магнитного поля большого пятна,— порядка миллиона миллионов (1012) ампер.
Гарольд и Гораций Бэбкоки установили с помощью магнитографа, что, кроме сильных магнитных полей в пятнах, о которых только что шла речь, Солнце обладает еще слабым общим магнит
114 —
ным полем. (Магнитографом называется прибор для автоматического измерения эффекта Зеемана, в котором используется сочетание оптических, механических и электронных приспособлений.) Общее магнитное поле напряженностью приблизительно в один гаусс несколько слабее, чем предполагал Хейл в своей первой работе; оно существует только на больших широтах около ±55*. Его полярность, измеренная в 1955 г., была положительна в северном полушарии и отрицательна в южном, что как раз противоположно магнитному полю Земли. В течение 1955 и 1956 гг.
Рис. 74. Фотографии солнечного диска 18 июля 1953 г. для сравнения с рис. 73: слева — в белом свете; справа —в линии ионизованного кальция. (Обсерватория Маунт Вилсон )
интенсивность поля, колеблясь, уменьшалась, пока в 1957 г. оно у южного полюса не изменило своей полярности на противоположную. В начале 1958 г. Солнце обладало положительной полярностью в обоих полушариях, а осенью того же года в северном полушарии поле также изменило знак на противоположный. Эта перемена произошла через три года после минимума солнечных пятен, фактически незадолго до наступления очередного максимума.
Из этих наблюдений видно, что Солнце подобно переменной магнитной звезде. Гораций Бэбкок ранее открыл у некоторых звезд сильные общие магнитные поля. Интересно, что существует звезда, быстрые флуктуации поля которой совершаются всего за девять дней. Вычислено, что такая звезда подобна сильному радиопередатчику, посылающему энергию в 1013 киловатт на волне порядка 1011 км.
- 115 -
8-
Магнитограф Бэбкока отмечает также наличие местных неоднородностей общего магнитного поля Солнца. Наиболее интенсивные местные (локальные) поля возникают в зонах пятен, но заметные отклонения появляются также и в других местах солнечной поверхности.
Хотя нередко существуют и одиночные пятна, из записей распределения магнитных полей видно, что, как уже говорилось, пятна имеют тенденцию появляться связанными парами. Чисто двойные пятна довольно редки. Однако характер сопутствующих магнитных полей позволяет установить, что появление парами является обычным. Пятна одной группы обозначаются буквами р (ведущее) и / (замыкающее), в соответствии с направлением общего вращения Солнца.
Отдельные пятна одной пары имеют противоположную полярность магнитного поля. Это определяется спектрально по исследованиям эффекта Зеемана. Даже когда наблюдается только одно пятно, распределение окружающих ярких образований паров кальция, имеющих неправильную форму, и связанных с ними факелов часто указывает на наличие дополнительной возбужденной области, вероятно, скрытого пятна. В некоторых подобных случаях в такой области также наблюдалось слабое магнитное поле ожидаемой полярности.
Замечателен до сих пор еще не вполне выясненный наблюдательный факт: полярности пятен в обоих полушариях Солнца противоположны. Если, например, ведущие (р) пятна в северном полушарии обладают северной полярностью, то р-пятна в южном полушарии имеют южную полярность. И еще более замечательно, что в следующем цикле полярности ведущих пятен всегда изменяются на противоположные. Это также было открыто Хейлом. Таким образом, на самом деле с точки зрения магнитных свойств период цикла солнечных пятен следует считать равным не 11, а 22 годам.
Хейл и Никольсон на обсерватории Маунт Вилсон предложили следующую классификацию пятен и их групп (см. ниже рис. 88). Если на фотографиях видно только одно пятно с симметричным распределением факелов, оно отмечается буквой а. Однако если одиночное пятно одной полярности расположено в передней или задней части факела, оно соответственно обозначается либо ар, либо а/.
Биполярная группа с приблизительно одинаковыми членами обозначается буквой р. Если выделяется ведущее или замыкающее пятно пары, соответствующие обозначения будут рр или Р/. Сложные пятна смешанной полярности (часто даже внутри полутени) 5 обозначаются буквой у; сложная группа пятен, большая часть членов которой явно биполярна, обозначается через Ру.
- 116 -
На основании статистического анализа 5940 групп пятен, наблюдавшихся с 1937 по 1953 г., Белл и Глезер получили следующую относительную встречаемость пятен каждого типа (21% остался не классифицированным):
Классы .... а ар а/ 0 0р 0/ 0у у Не классифицировано Проценты ... 9 25	4	27 23 8	3	1	21
Эти результаты хорошо согласуются с более ранними результатами Хейла и Никольсона. Данные этой таблицы показывают, что замыкающие пятна преобладают только в 12% случаев. Ведущие имеют определенную тенденцию превосходить последующие пятна по размерам и времени существования. Причина этого неизвестна, но подобные статистические результаты должны помочь выяснить силы, приводящие, к возмущениям и образованию пятен.
♦
Некоторые другие свойства солнечных пятен
В начале этой главы говорилось об изменении средней широты, на которой появляются солнечные пятна в течение 11-летнего цикла. Однако дрейф по широте у отдельных пятен чрезвычайно мал.
Гораздо поразительнее движение пятен по долготе. Маундер и д’Азамбужа заметили, что во время роста пятно движется несколько быстрее. Когда же оно распадается, его движение замедляется. Особенно это относится к ведущему пятну пары. Замыкающее пятно обычно менее постоянно, быстрее исчезает и обладает тенденцией двигаться в обратном направлении, как если бы пятна отталкивались друг от друга.
Статистические исследования Джоя и Брюннера помимо этого обнаружили тенденцию ведущего пятна располагаться несколько ближе к экватору, чем замыкающее. Этот наклон оси группы имеет тенденцию увеличиваться с широтой, начиная примерно с 1° для групп у экватора до 20° для пятен на широтах -j-35°. Брюннер предполагает, что в среднем наклон уменьшается со временем по мере развития и распада группы.
Другим еще не объясненным свойством является волокнистое строение полутени, о котором говорилось выше. Поверхность Солнца даже в областях, не возмущенных пятнами, далеко не однородна. Исследования Жансена и других обнаружили грануляционную структуру ярких ячеек неправильной формы на слегка более темном фоне, похожих на рисовые зерна. Эта грануляция полностью меняет свой вид меньше, чем за 15 минут. Она является следствием конвективной циркуляции в солнечной атмосфере.
- 117 -
Рис. 75. Большая группа солнечных пятен, наблюдавшаяся 17 мая 1951 г. Видны волокна в полутени и грануляция в фотосфере. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
Было высказано предположение, что волокна полутени состоят из искаженных гранул, вытянутых в длинные жгуты циркуляцией в атмосфере. Возможно, они представляют собой часть горизонтального или слегка наклонного конвективного потока, который вне пятна выглядит как гранула, подобно тому как пучок спичек кажется то головками, то палочками, в зависимости от угла зрения. Можно думать, что «палочки» видны на пологих краях пятен, спускающихся к тени.
Сильные магнитные поля полностью препятствуют конвекции внутри тени. Вне пятна конвекция имеет место. В полутени, вероятно, борьба конвекции и магнетизма происходите почти равными силами, и можно предполагать, что конвективные гранулы вытягиваются и направляются действием магнитного поля.
Пятна часто отклоняются от простой круглой формы. Тень может быть неправильной, вытянутой или сжатой. Полутень стремится хотя бы грубо повторить контур тени, а ее протяженность может сильно меняться для различных пятен. У пор или мелких пятен полутень, если она и есть, очень маленькая. Боль-
- 118 —
F ,
Рис. 76. Рисунок, изображающий солнечное пятно в виде впадины. (Рордэм.)
пятен очень сложна. Эвершед,
шая сложная группа пятен иногда имеет одну обширную область полутени, окружающую несколько ядер. Как внутренние, так и внешние края полутени обычно резко очерчены, несмотря на неправильность контура.
Есть некоторое основание полагать, что пятно расположено ниже поверхности Солнца. В 1760 г. Уилсон из Глазго заметил около лимба (края Солнца) пятно, полутень которого была шире со стороны, более удаленной от центра диска. Если бы все пятна были совершенно симметричны, этого наблюдения было бы достаточно, чтобы доказать, что пятна — это впадины. Так как края полутени часто неправильны, это заключение не вполне надежно. Однако если верить статистическим данным, область полутени представляет собой покатый склон, кончающийся тенью, расположенной ниже внешнего края полутени примерно на 800 км. Правда, есть некоторая вероятность того, что внешний край полутени расположен несколько выше поверхности Солнца, так что трудно с уверенностью сказать, на каком уровне тень расположена относительно нормальной солнечной поверхности.
Циркуляция газа вблизи
работавший в обсерватории Кодайканал (Индия), впервые определил общие характеристики движения этих газов. Поместив щель своего спектрографа поперек пятна, он наблюдал характерные особые искривления линий, указывающие на радиальные скорости.
Когда пятно было близко от центра диска, смещения линий обычно бывали ничтожны. Этот результат показывает, что газы движутся незначительно вдоль направления к наблюдателю (т. е. вверх и вниз в самом пятне). Но когда пятно было далеко от центра диска и щель спектрографа совпадала с направлением солнечного радиуса, Эвершед обнаружил заметные смещения линий в областях полутени. Они указывали на движения к наблюдателю в обращенной к центру Солнца части полутени и от наблюдателя с противоположной стороны. Газы в пятне двигались радиально от центра пятна параллельно солнечной поверхности. Это явление обычно носит название эффекта Эвершеда.
- 119 -
Сказанное относится к средним и слабым спектральным линиям. Наиболее сильные линии принадлежат ионизованному кальцию и нейтральному водороду. В пятне они имеют противоположное смещение, интерпретируемое как движение внутрь. Линии ионизованного кальция и водорода возникают в несколько более высоких слоях атмосферы, чем другие линии. Это заставляет предполагать, что над пятном находится нечто вроде плоского дымового вихря с истечением газа в нижних слоях и притоком в верхних. Однако в горизонтальной плоскости Эвершед не нашел и следа вихревого движения.
Более новые исследования Абетти в Арчетри (Италия) обнаружили, что циркуляция, возможно, еще сложнее. Абетти установил, что движения, описанные Эвершедом, правильны только в среднем, статистически. Скорости заметно меняются для различных пятен. Эвершед не нашел никаких указаний на вихревое вращение пятна, Абетти же обнаружил небольшой компонент этого движения со скоростью от 1 до 3 км!сек.
Наблюдаемые движения газов в областях пятен — только часть общей проблемы циркуляции в солнечной атмосфере. Сент-Джон и его сотрудники на обсерватории Маунт Вилсон обнаружили по слабым линиям подъем газов с небольшой скоростью в очень глубоких слоях фотосферы. В то же время кажется, что газы, образующие более сильные линии, движутся вниз. На краю Солнца смещения, вызванные вертикальной циркуляцией, исчезают.
Интерпретация смещения линий осложняется наложением друг на друга различных эффектов, таких как переменная циркуляция, несимметричное расширение линий вследствие столкновений атомов и так называемый «эффект Эйнштейна». Последний заключается в небольшом смещении линий к красному концу спектра, вызванном гравитационным полем, и, по-видимому, находится в хорошем согласии с теорией относительности.
Многие явления, связанные с пятнами, нуждаются в дальнейшем изучении; о некоторых из них будет сказано в последующих главах. Здесь же рассмотрим факелы — яркие образования, окружающие пятна в виде сетки со светлыми прожилками. За несколько дней или часов до появления солнечного пятна, возможно, в период его образования под поверхностью, появляется группа ярких точек и прожилок. Потом внезапно, в течение нескольких часов, среди этих факелов появляется «отверстие», которое вырастает, превращаясь в тень и полутень солнечного пятна. В некоторых случаях развитие пятен и факелов происходит одновременно. Факелы более устойчивы и надолго остаются после исчезновения пятна, выдавая своим присутствием место прежнего возмущения. Нет ни одного пятна, какого бы размера оно ни было, которсе не было бы окружено факелами, хотя отчет
- ПО -
ливо факелы видны только вблизи края Солнца. Факелы часто встречаются и без видимых пятен.
Больше всего факелов видно в зонах пятен, однако в отдельных местах они встречаются на всех широтах. Возможно, что отдельные мелкие факелы у полюсов возникают вследствие турбулентности совершенно иной природы, чем та, которая имеет место в областях пятен. Однако их присутствие выдает возмущенные области, активность которых недостаточна, чтобы «прорваться» через видимую поверхность Солнца и образовать пятно.
В 1875 г. Трувелот обратил внимание на явление, которым с тех пор мало занимались. Он иногда наблюдал сероватые образования неправильной формы, которые назвал «завуалированными пятнами». В противоположность обычным пятнам, они иногда появлялись на расстоянии 10° от полюсов. Автору удавалось наблюдать туманные пятна в виде клякс, пятен неправильной формы и волокон, которые не укладываются ни в одну стандартную классификацию солнечных явлений. Они видны в белом свете без помощи специальных фильтров. Робертс случайно заметил пятна, похожие на области полутени, но без более темной тени. Они производят впечатление «скрытых пятен» и, возможно, то же самое, что описывал Трувелот.
Яркие облака кальция, называемые флоккулами, связаны с факелами и тоже чувствительны к присутствию пятен. Они обычно резко обрисовывают области пятен в обоих полушариях. Подробнее о флоккулах будет сказано в следующей главе.
Теории солнечных пятен
Итак, солнечные пятна — темные и холодные области, обладающие сильными магнитными полями. Их количество определенным образом меняется с периодом в 11 лет. По аналогии с земной атмосферой, в которой области штормов холоднее и обладают меньшим давлением, уже давно была высказана мысль, что солнечные пятна, возможно, своеобразные «бури». В первом издании этой книги мы назвали настоящую главу «Солнечные пятна — солнечные циклоны». Новейшие исследования показали, что этот некогда общепринятый взгляд.на природу солнечных пятен совершенно ошибочен.
Движения воздуха в земной атмосфере в основном бывают двух типов: вертикальные и горизонтальные. Чтобы лучше изучить вертикальное течение, представим себе большой воздушный шар из невесомой эластичной оболочки, наполненный воздухом. Если температура и давление внутри и снаружи шара одинаковы, то он не будет ни подниматься, ни опускаться.
- 121 -
Если теперь шар поднять до области с более низким давлением воздуха, он расширится, вследствие чего воздух внутри него охладится. Измерим температуру внутри шара, и сравним ее с температурой окружающего воздуха. Если воздух внутри шара холоднее окружающей среды, газ внутри должен быть плотнее, а следовательно, тяжелее наружного воздуха. Поэтому шар начнет падать, возвращаясь в свое первоначальное положение. Однако когда воздух внутри шара теплее, шар оказывается легче и начинает подниматься. Если шар обладает внутренним источником тепла, то подъем происходит быстрее.
Хотя земная атмосфера не заключена в «невесомые эластичные оболочки», на большие массы воздуха действуют силы, вызванные неодинаковостью температур и аналогичные только что рассмотренным. Горячий воздух стремится подняться, а холодный опуститься. Как и в примере с шаром, силы подъема увеличиваются, если каждая поднимающаяся масса газа обладает внутренним источником тепла. Сырой теплый воздух имеет такой источник дополнительного нагрева; когда температура поднимающегося, расширяющегося газа настолько уменьшится, что водяной пар начнет конденсироваться, это приведет к нагреванию газа. Вот почему волнистые кучевые облака часто сильно турбулентны. Пассажиры самолетов жалуются на «ухабистый» воздух. Эта конвекция может даже быть опасной для небольших самолетов.
В атмосфере Солнца перенос энергии осуществляется двумя процессами: конвекцией и излучением. Недавно было обнаружено, что конвекция играет большую роль, чем это предполагалось прежде. Унзольд отметил, что водород, сильнее ионизованный в глубоких слоях и почти нейтральный в верхних слоях солнечной атмосферы, играет для Солнца ту же роль, что и водяные пары для земной атмосферы. В поднимающейся, расширяющейся, а следовательно, и остывающей массе газа ионизованный водород стремится перейти в нейтральное состояние. В результате рекомбинаций электронов и протонов высвобождается энергия, которая идет на нагревание газа. Следовательно, внешние слои солнечной атмосферы должны находиться в состоянии сильной конвективности.
На этом закончим рассмотрение вертикальной циркуляции. На Земле горизонтальная циркуляция зависит от потоков холодного воздуха, идущего от обширных полярных ледяных шапок, где воздух плотнее и образует области высокого давления. Воздух из этой области «изливается» в направлении к экватору. Горячий воздух на экваторе поднимается вверх и течет по направлению к полюсам, выравнивая давление. Однако циркуляция никогда не происходит плавно. На промежуточных широтах также образуются области высокого и низкого давления. Здесь наблюдается
- 122 -
погода с сильными ветрами. Расширяясь и охлаждаясь, воздух течет от областей высокого давления к местам с низким давлением. На эти течения сильно влияет вращение Земли. Вблизи полюсов массы воздуха вращаются с меньшей скоростью, чем на промежуточных широтах. Следовательно, при передвижении от северного полюса на юг воздушное течение имеет тенденцию отставать от вращения Земли, поэтому кажется, что поток воздуха отклоняется к западу. Наоборот, быстро вращающийся воздух на экваторе, переходя в более высокие широты, отклоняется к востоку. Между этими двумя течениями воздух закручивается и образует водоворот или циклон.
Таким образом, общая циркуляция ветров вокруг центра штормов в северном полушарии происходит всегда против часовой стрелки, а в южном — по часовой стрелке. Скорость вращения увеличивается к центру. Во время особенно сильной бури закручивающийся воздух образует ураган.
Конечно, в данном кратком обзоре не затрагивались многие сложные вопросы, возникающие в связи с циркуляцией в земной атмосфере. Можно упомянуть о движении так называемых «фронтов», где холодный более плотный воздух может «выметать» более легкий теплый воздух. Вертикальная неустойчивость играет также весьма важную роль в образовании торнадо и ураганов. Предсказание погоды — весьма трудная наука, требующая учета огромного количества факторов, например, трение о Землю, влажность и многое другое.
По аналогии с горизонтальной циркуляцией в земной атмосфере возник взгляд на солнечные пятна, как на вращающиеся вихри, подобные ураганам. Пытаясь объяснить особенности развития солнечных пятен, Хейл и независимо от него Бьеркнес разработали теорию вихревой циркуляции. Наличие противоположных магнитных полей в биполярных группах наводит на мысль, что в обоих пятнах вращение должно быть противоположным.
Так, если ведущее пятно вращается по часовой стрелке, то вследствие простого трения (вязкости) замыкающее пятно движется против часовой стрелки. При этом Хейл предполагал, что оба вихря соединяются снизу. Чтобы представить себе его модель, возьмем в каждую руку по концу гибкого шланга длиной в метр, изогнутого в виде буквы U. Если вращать конец, находящийся в правой руке, по часовой стрелке, то вследствие жесткости соединения конец в левой руке начнет вращаться в противоположную сторону. Хейл предположил, что пятна биполярной группы являются противоположными концами U-образного вихря (рис. 77).
Бьеркнес также предполагал, что пятна биполярной группы связаны между собою. Однако он считал, что трубка, вместо того
- 123 -
чтобы погружаться только на небольшую глубину под поверхность Солнца, окружает его кольцом, параллельным экватору. Бьеркнес предположил, что этот вихрь постоянен и спрятан под поверхностью, скрученный и свернутый, как огромная морская змея. Когда возмущение разрывает трубку, один или оба из образовавшихся концов могут подняться к поверхности и образовать группу пятен, существующую до тех пор, пока силы неизвестного еще характера не восстановят разрыва (рис. 78).
Далее Бьеркнес допустил, что существует четыре больших, подобных бубликам вихря, по два в каждом полушарии. В северном полушарии, как и в южном, эти вихри находятся один в другом, как два колечка дыма. Внешний, больший вихрь, образующий наблюдаемые пятна, медленно дрейфует к экватору, тогда как внутренний, меньший, движется к экватора, первый вихрь сжимается и погру-, находящийся в высоких
Рис. 77. Образование солнечных пятен по Хейлу.
Рис. 78. Теория Бьеркнеса.

полюсу. Достигая жается. В это время второй вихрь, широтах, расширяется и поднимается. Таким образом, роли обоих вихрей меняются, и второй из них начинает движение в сторону экватора. Считается, что: циркуляция в обоих вихрях происходит в разные стороны. Это объясняет противоположные магнитные поля пятен. То же самое имеет место и в южном полушарии.
Описанные теории весьма привлекательны. Однако они совершенно не объясняют наиболее характерную особенность пятен — наличие в них магнитных полей. Шведский ученый Альвен высказал другую гипотезу, основанную на предположении, что магнитное поле имеется в ядре Солнца. Теперь, если где-нибудь на краю этой внутренней сферы возникнет случайное возмущение, взрыв или выброс вещества, то от этого места начнет расходиться пульсация или волна, медленно движущаяся к поверхности. Согласно теории волна несет с собой к поверхности часть внутреннего интенсивного
магнитного поля.
124 —
Другой^шведский ученый, Вален, развил эту гипотезу, придав ей более конкретный вид. Он считает, что пульсация возникает в виде похожих на бублики вихревых колец, очень медленно поднимающихся к поверхности. Когда кусок такого «бублика» появляется на поверхности Солнца, возникает биполярная группа пятен. Часть «бублика», остающаяся под поверхностью, напоминает U-образный кусок шланга, как и предполагал вначале Хейл.
Рис. 79. Модель Валена. Видны вихри в виде «бубликов», выходящие из недр Солнца и достигающие поверхности в виде солнечных пятен.
Альвен и Валён считают, что период в 11 лет необходим для того, чтобы пульсация пересекла ядро Солнца от одного края до другого. При этом ядро считалось конвективным. Согласно их гипотезе возмущение, начинаясь на краю области, образует два кольца. То, которое движется наружу, ведетсебя так, как описано выше, тогда как другое сначала движется внутрь ядра к центру и только через 11 лет достигает противоположного края ядра.
Картина, предложенная Альвеном и Валёном, качественно также весьма заманчива, но прежде чем принять ее, следует проделать огромную теоретическую работу. Ни одна из теорий не дает удовлетворительного объяснения изменениям полярности пятен в течение второй половины 22-летних циклов г). Позднее
х) Недавно Г. Бэбкок, обобщив огромный материал наблюдений, высказал новую гипотезу, объясняющую 22-летний цикл. Исходным пунктом этой гипотезы является наличие слабого общего магнитного поля у Солнца. Силовые линии этого поля проходят не внутри, как у Альвена и Валена, а неглубоко под поверхностью Солнца. Особый характер вра-
- 125 -
Вален отказался от своей первоначальной теории в пользу модели, согласно которой скорость вращения Солнца непостоянна. Кау-линг высказал ряд возражений против нее, в особенности по поводу упомянутых выше магнитных явлений.
Вертикальная конвекция, по-видимому, удовлетворительно объясняет такие явления, как грануляция, факелы и флоккулы. Солнечная поверхность представляется нам находящейся в состоянии очень сильной турбулентности. Вся она покрыта огромными волнами в несколько сотен километров поперечником. Что касается солнечных пятен, то думается, что мы слишком далеко зашли, проводя аналогию между атмосферами Солнца и Земли. Горизонтальные течения в земной атмосфере вызываются весьма неравномерным нагреванием воздуха у полюсов и у экватора. Таких больших разностей температур на Солнце не существует, поэтому меридиональные течения не могут быть там особенно сильны. Вот почему горизонтальная циркуляция не может объяснить солнечных пятен.
Причина их появления заведомо связана с интенсивными магнитными полями. Как указал Бирман, магнитное поле как бы цементирует соседние массы газа, препятствуя им пересекать магнитные силовые линии. Поднимающийся газ не может двигаться горизонтально. Поэтому он не может начать опускаться и тем самым завершить цикл конвекции. Отсюда следует, что солнечные пятна представляют собою спокойные области, окруженные турбулентной атмосферой. Поскольку конвекция отсутствует, энергия из глубины передается только менее эффективным процессом
щения Солнца, о котором говорилось на стр. 102, и «приклеенность» магнитных силовых линий к плазме солнечного вещества приводят к тому, что в начале цикла солнечной активности экваториальные области магнитных силовых линий начинают вытягиваться. Экваториальные области продолжают в своем вращении опережать средние широты. Петля, один конец которой уходит в северное полушарие, а другой — в южное, сильно вытягивается и несколько раз обвивается вокруг всего Солнца. Получается «жгут» из магнитных силовых линий, несколько раз опоясывающий как северное, так и южное полушарие. Чтобы лучше представить себе, как закручиваются силовые линии, вообразите, что к концам стержня крепко привязана натянутая длинная резинка. Если взять ее за середину, вытянуть и закрутить на стержень, то оба конца резинки будут накручиваться в разные стороны. Таким образом, возникшие «жгуты» во всем подобны «всплывающим» вихрям Бьеркнеса. Когда силовые линии много раз обкрутятся вокруг всего Солнца, магнитное поле усилится и станет неустойчивым. Всплывая, отдельные части «жгутов» образуют пятна, как и в теории Бьеркнеса. Таким путем все усилившееся за первую половину цикла поле выйдет через поверхность. Остатки магнитных полей распавшихся пятен частично нейтрализуют друг друга, а частично ликвидируют прежнее общее магнитное поле Солнца и заново наводят его, но уже другой полярности. Теперь весь процесс повторяется снова, но из-за изменения направления общего магнитного поля изменяются и полярности пятен в следующем 11-летнем цикле. (Прим, перев.)
- 126 -
излучения. На основании этого Крук, Уайлд и Мензел предположили, что солнечные пятна холоднее окружающей среды, ибо в присутствии магнитного поля перенос энергии путем конвекции уменьшается. Но в областях, непосредственно примыкающих к пятнам, конвекция должна увеличиться, чтобы наверстать уменьшение потока тепла над пятнами. Яркие области факелов
Рис. 80. Кривая, изображающая один цикл солнечных пятен и четыре кальциевые спектрогелиограммы, характерные для соответствующих фаз цикла. Яркие кальциевые облака, появляющиеся в возмущенных областях, в начале цикла расположены далеко от экватора. Позже они образуются ближе к солнечному экватору. (Никольсон, обсерватория Маунт Вилсон.)
и флоккулов являются следствием усиления конвекции вблизи пятен. Они ярче, потому что конвективные потоки увлекают к поверхности больше горячих газов.
Пока еще не вполне ясно, чем вызываются солнечные пятна. Крук, Лейзер и Мензел выполнили полуколичественный анализ. Изменение полярности пятен последовательных циклов наводит на мысль, что общее магнитное поле, расположенное под поверхностью Солнца, по-видимому, вытянуто, подобно гигантскому оврагу, протянувшемуся вокруг Солнца параллельно экватору. Во время одного солнечного цикла силовые линии вытягиваются
- 127 -
на восток по направлению вращения Солнца, а во время следующего цикла — в обратном направлении. Нам представляется, что это происходит благодаря своего рода крутильным колебаниям в Солнце. Однако в этой модели трудно объяснить изменение полярности общего магнитного поля.
Конвекция, происходящая под поверхностью Солнца и увлекающая вещество наружу, вытягивает силовые линии, увеличивает магнитное поле и объясняет, по меньшей мере качественно, большинство явлений солнечной активности. Большую роль в этом переносе вещества играет существование конвективной зоны водорода, простирающейся от поверхности в глубину, возможно, на 1/10 солнечного радиуса. Как отметил Паркер, для образования солнечных пятен существенно, что газы, содержащие магнитные поля, приобретают плавучесть, как у воздушного шара. Поэтому отдельные «пряди» намагниченного вещества, часть которых, возможно, имеет вид «бубликов», отделяются от общей массы и всплывают к поверхности. Период одного полного колебания Солнца соответствует 22-летнему периоду солнечной активности. Описываемая теория еще далека от совершенства, но все же она гораздо лучше объясняет свойства солнечных пятен, чем старые гипотезы, связывавшие пятна с наличием вихрей и бурь.
Любительские и профессиональные наблюдения
Солнечные пятна и исследование Солнца вообще являются плодотворной областью приложения сил любителя астрономии. Члены солнечного отдела Американской Ассоциации наблюдателей переменных звезд ежедневно определяют числа солнечных пятен, отмечают положения возмущенных областей и факелов, наблюдают тонкую грануляцию и так далее. Некоторые любители снабдили свои телескопы фотокамерами и ежедневно посылают свои снимки в Цюрих (Швейцария) на постоянное хранение.
Небольшие размеры телескопа не препятствуют плодотворной работе. Наблюдатель может проектировать изображение Солнца на лист белой бумаги или употреблять различные стеклянные фильтры для уменьшения яркости, чтобы не испортить глаза. Любители, у которых имеются нейтральные фильтры, не меняющие цвета, замечали иногда над некоторыми пятнами розоватый или коричневатый свет. Вероятно, эта окраска— следствие имеющихся в данной области протуберанцев; наблюдая это явление, нужно особенно стараться ликвидировать окрашенность изображения, иногда появляющуюся из-за несовершенства телескопа.
Наблюдение Солнца приносит огромное удовлетворение как профессионалам, так и любителям. Постоянно меняющаяся
128 -
панорама Солнца с развивающимися и исчезающими пятнами, медленно вращающимися вместе с Солнцем, будит воображение. Всегда хочется заглянуть вперед, увидеть, какие изменения произошли за ночь. По большим и активным областям можно судить, что на Земле тоже могут произойти возмущения, проявляющиеся в магнитных бурях, ярких полярных сияниях, нарушениях радиосвязи или изменении космического излучения. А когда эти земные явления действительно происходят, наблюдатели обнаруживают, какая тесная связь существует между Солнцем и Землей.
До сих пор еще имеется множество неразрешенных проблем, связанных с солнечными пятнами. Некоторые из них представляются настолько сложными, что начинаешь сомневаться в возможности их разрешения. Единственно, что нас утешает и ободряет,— это сознание, что все же много уже сделано. В течение первой половины XIX в. общепризнанной была теория строения солнечных пятен Вильяма Гершеля; считалось, что пятна — отверстия в огненной оболочке Солнца, в которые можно мельком увидеть прохладную и, как предполагалось, обитаемую солнечную поверхность. Представление о солнечных пятнах как циклонах или бурях на Солнце сменило прежние представления. А сейчас и оно признано также несостоятельным. Как легко иногда предположения господствуют над строгими выводами!
9 Наше Солнце
7
Детали солнечной поверхности
На фотографиях Солнца, полученных через специальные светофильтры, были обнаружены замечательные детали на солнечной поверхности. Обычное цветное изображение, будь то фотография или литография, передает цвета наложением друг на друга по меньшей мере трех изображений в разных цветах. Тремя фотокамерами можно сделать одновременные снимки через красный, желтый и синий стеклянные фильтры. Комбинируя каким-либо из многих имеющихся способов полученные таким образом три отдельные позитива, получают изображение, цвет которого весьма близок к цвету оригинала.
С научной точки зрения, глаз — плохой прибор для определения цвета. Эксперименты показали, что одно и то же ощущение цвета может быть вызвано целым рядом различных оттенков. Ученые нуждаются в объективном определении цвета. Как говорилось в гл. 3, точное определение цвета производится с помощью измерения длины волны. Длину волны можно определить и для невидимого ультрафиолетового и инфракрасного излучения, так же как и для видимого света. Цвет и количество излучения определяются спектроскопом или спектрографом.
- 131 -
Каждый фотолюбитель знает обычные стеклянные фильтры. Он знает, что желтый (К2 или КЗ) г) светофильтр задерживает часть синих лучей от неба и тем самым усиливает облака на снимках пейзажей. Красный (А) 2) светофильтр делает небо таким темным, что пейзаж получается как бы при лунном освещении. Кроме того, красный фильтр уничтожает дымку, так что на фотографии ясно выступают отдаленные горные хребты.
Поместив один из таких светофильтров перед спектрографом, можно точно заметить, сколько проходит через фильтр лучей каждого цвета 3). Если проделать этот эксперимент, то сразу выявится следующий факт. Хотя цвета стеклянных фильтров и кажутся чистыми, в действительности полосы их пропускания весьма широки. Желтый светофильтр К2 пропускает желто-зеленые, все желтые, оранжевые и красные лучи.
Хотя такие широкополосные стеклянные фильтры й применяются в астрономии, для изучения Солнца лучше пользоваться узкополосным фильтром, пропускающим только небольшой участок спектра. Такой фильтр называется монохроматическим. Как уже говорилось, в спектре Солнца наблюдается множество темных линий, каждая из которых возникает в связи с присутствием в солнечной атмосфере определенного химического элемента. Если бы фильтр пропускал свет только одной из этих узких линий, можно было бы обнаружить, как распределяются по поверхности Солнца излучающие атомы этого вещества.
Для получения такой узкой полосы пропускания необходим фильтр, примерно в тысячу раз эффективнее стеклянного. Требуемое для этого разрешение приближается к разрешению спектроскопа. И действительно, почему бы не употреблять для этой цели сам спектроскоп?
В 1868 г. французский астроном Жансен, наблюдая полное солнечное затмение в Индии, был поражен, увидев несколько ярких линий, излучавшихся протуберанцем на краю Солнца. Как только затмение кончилось, он снова навел свой инструмент на Солнце и с восхищением обнаружил, что в красных лучах все еще видно то самое яркое пятно, которое он заметил во время затмения. Расширив щель спектроскопа, он даже смог определить форму, которую имели светящиеся газы. Независимо от Жансена и одновременно с ним то же открытие сделал англичанин Локьер.
В течение многих лет этот метод наблюдения протуберанцев оставался единственным. Однако он позволял наблюдать только протуберанцы, проектирующиеся за край Солнца. Этот метод
Соответствуют нашим фильтрам ЖС-17 и ЖС-18. (Прим, перев.) *) Соответствует нашему фильтру КС-14. (Прим, перев.).
*) Или, как говорят, определить полосу пропускания светофильтра. (Прим. перев-)
— 132 -
не давал ни малейшего представления о явлениях, происходящих на диске Солнца. Юнг из Принстона, один из выдающихся инициаторов солнечных исследований, в течение многих лет использовал для изучения Солнца спектроскоп с широкой щелью.
Спектрогелиографы
Жансен предложил приспособить спектрограф для получения фотографий Солнца в монохроматических лучах. Мы уже отмечали, что спектральные линии в действительности представляют собою изображение щели спектрографа. Если освещение щели неоднородно вследствие каких бы то ни было причин, изображение линии также окажется неоднородным.
Пусть изображение Солнца медленно движется поперек щели спектрографа. Тогда детали солнечного диска последовательно изобразятся в распределении интенсивности вдоль спектральных линий. Теперь поместим вторую щель в том месте, где расположена линия, которую мы хотим изучить, выделив ее из всей остальной части спектра, и начнем двигать фотопластинку поперек второй щели синхронно с движением изображения Солнца по первой щели. При этом на пластинке получится изображение всего Солнца в лучах выбранной спектральной линии. Мы как бы разрезаем изображение Солнца на тысячи узких полосок, а затем снова соединяем их в общую картину, подобно тому как это происходит в обычной телевизионной установке.
На основе этого принципа Хейл и Деландр, практически одновременно, создали прибор, который называется спектрогелиографом.
Спектрогелиограммы
Результаты, полученные с помощью этого инструмента, оказались сенсационными. При изучении изображений Солнца в лучах водорода или кальция обнаружились явления, существование которых и не подозревалось. Спектрогелиограммы оказались совсем не похожими на обычные фотографии Солнца. Правда, иногда на них получались солнечные пятна в виде темных отверстий, однако весь диск в целом, как правило, покрыт множеством светлых и темных пятен, волокнами и длинными узкими нитями, по-видимому, светящегося газа, свет от которого прошел через вторую щель.
Спектрогелиограммы в линиях ионизованного кальция имеют характерный вид, сильно отличающийся от спектрогелиограмм в красной линии водорода. На кальциевых спектрогелиограммах самой резкой отличительной чертой являются большие яркие
- 133 -
Рис. 81. 150-футовый (45 м) солнечный башенный телескоп обсерватории Маунт Вилсон, питающий спектрогелиограф, находящийся в глубоком колодце под башней. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
области неправильной формы, состоящие из паров кальция, светящихся вблизи солнечных пятен или в возмущенных местах солнечной атмосферы. Эти облака кальция называются флоккулами или факельными площадками. На изображении Солнца в линии водорода много более тонких деталей. Яркие факельные площадки мельче; в них часто заметна неправильная волокнистая
как интенсивность гелиевой линии меняется по диску Солнца. (Д’Азам-бужа, Медонская обсерватория.)
структура. Фон, на котором они видны, в отличие от более крупных кальциевых факельных площадок, испещрен мелкими крапинками.
Различия между кальциевыми и водородными спектрогелиограммами, разумеется, не являются следствием реальных изменений химического состава.1 Атмосфера Солнца слишком сильно перемешана вследствие постоянной турбулентности. Указанный эффект скорее можно объяснить некоторыми характерными свойствами химических элементов, окруженных неоднородной средой.
В гл. 5 упоминалось, что в солнечной атмосфере большая часть атомов кальция излучает фиолетовые линии, а красную линию водорода На при обычных условиях в солнечной атмосфере испускает только один из миллиона атомов. Возбудить водород
|- 135'-
исключительно трудно. Чтобы заставить светиться кальций, достаточно незначительного увеличения температуры, тогда как для возбуждения линии На требуется значительно больший нагрев.
Рисл 83. Снимок Солнца в белых лучах и спектрогелиограмма в линии К ионизованного кальция (30 июля 1906 г.). (Обсерватория-Маунт Вилсон.)
Рис. 84. Снимок Солнца в белых лучах и спектрогелиограмма в линии водорода На (12 августа 1917 г.). (Обсерватория Маунт Вилсон.)
Наличие облаков ярко светящихся паров водорода указывает,, что область должна быть очень горячей. Но поскольку «холодный» газообразный водород почти прозрачен х), темные образова-
*) Прозрачен для излучения в красной линии На. (Прим, перев.у
— 136 —
ния на водородных спектрогелиограммах означают поглощение, т. е. присутствие водорода, по-видимому, находящегося в состоянии хотя и не крайнего, но все же значительного возбуждения. Не вполне ясно, почему некоторые горячие области кажутся яркими, а другие — темными. Однако возможно, что яркие области значительно горячее, плотнее и толще, чем более темные участки.
На спектрогелиограммах, как в лучах кальция, так и водорода, часто видны длинные темные облака неправильной формы.
Рис. 85. Спектрогелиограммы 25 марта 1949 г.; слева — в линии К ионизованного кальция, справа — в линии На водорода. (Д’Азамбу-жа, Медонская обсерватория.)
Эти темные образования, получившие название темных флоккул или волокон, обычно обладают волокнистой структурой. На фотографиях с небольшим увеличением они кажутся длинными черными червями, выделяющимися на поверхности Солнца (рис. 85). Но при большом увеличении видно, что они далеко не сплошные. Они состоят из сотен тонких нитей, тесно переплетенных между собою. Эти образования относительно устойчивы и живут долго. Некоторые могут оставаться много дней, а в момент бурной активности в течение нескольких часов исчезнуть.
Додсон и Мак-Мас наблюдали внезапное исчезновение подобного волокна, после того как оно существовало в течение нескольких недель. Поразительно, что это волокно снова появилось через несколько дней на том же самом месте.
Длинные темные волокна на самом деле — протуберанцы^ огромнейшие облака раскаленного газа, часто простирающиеся на большие высоты над солнечной поверхностью. Проектируясь
- 137 —
«а яркий диск Солнца, они кажутся темными х), на фоне же темного неба за краем Солнца они кажутся светящимися.
Яркие водородные флоккулы, в противоположность темным, обычно связаны с солнечными пятнами. Их никак нельзя считать лишенными структуры. Каждое образование разбивается на образующие сетку мелкие участки, очерченные более яркими прожилками. Сами прожилки, как бусы на нитке, состоят из узелков,
Рис. 86. Солнечный диск в линии На водорода, 6 апреля 1958 г. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
неодинаково удаленных друг от друга. Детали этих ярких флоккулов постоянно меняются. Отдельные детали могут существовать в течение нескольких часов или необычайно быстро, буквально поминутно, меняться.
Тонкая зернистая структура, наблюдаемая на водородных спектрогелиограммах (рис. 87) вблизи пятен, часто имеет характер узора, подобного расположению железных опилок вблизи
г) Они кажутся темными потому, что поглощают и рассеивают идущее снизу излучение. (Прим, перев.)
- 138 -
магнита. Трудно отказаться от предположения, что эти узоры связаны с магнитными полями пятен. Самые яркие (и, по-види-мому, наиболее горячие) области обычно располагаются между главными пятнами биполярной группы. Ближайшие темные
Рис. 87. Спектрогелиограмма биполярной группы солнечных пятен в линии водорода. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
волокна обычно изогнуты, грубо напоминая магнитные силовые линии. На рис. 87 заметен также бесструктурный характер области полутени пятен.
Иногда на Солнце происходит поразительное увеличение яркости светящегося газа. Эти вспышки (см. дальше рис. 98 и 99) лучше всего видны в линии водорода, хотя часто их можно наблюдать и в других линиях, а иногда даже и в белом свете. Вспышка обычно представляет собой увеличение яркости небольшого участка существующей факельной площадки и также испещрена прожилками, напоминающими низку бус. Чаще всего вспышки возникают в ярких водородных флоккулах, окружающих солнечные пятна.
- 139 -
Область, состоящая из небольших ярких и темных водородных образований, очень быстро, часто за каких-нибудь 10—15 минут, может меняться. Кинофильм солнечной поверхности создает впечатление чего-то «кишащего», подобно белым червям на груде падали. Менее отталкивающая метафора—сравнение солнечной поверхности с белыми гребнями волн, безумно пляшущих по бурному морю. Несомненно, это является следствием очень сильного потока конвекции.
Спектрогелиограммы, снятые в лучах кальция и водорода, имеют некоторые общие черты. И на тех, и на других темные флоккулы (волокна) имеют почти одинаковые детали. Яркие выбросы и вспышки чаще происходят в возмущенных областях около пятен. В то же время в лучах кальция факельные площадки имеют почти одинаковую яркость и не обладают той детальной структурой, которая так часто видна на спектрогелиограммах в лучах водорода. Общая структура в лучах кальция крупнее мелко-пятнистого фона водородных спектрогелиограмм.
Никольсон основывает свою классификацию солнечных пятен (стр. 116) отчасти на внешнем виде спектрогелиограмм в лучах кальция. На рис. 88 даны характерные примеры различных типов солнечных пятен. На каждой тройке снимков верхнее фото сделано без фильтра; остальные, соответственно, в лучах кальция (К) и водорода (На^.
Почему очень яркие кальциевые факельные площадки окружают солнечные пятна? Хотя пятно — спокойная область, сдерживаемая магнитным полем, активность и турбулентность в областях, непосредственно окружающих пятна, больше, чем где бы то ни было в другом месте на поверхности Солнца. Во всей возмущенной области атмосфера турбулентна и более протяженна. Газы горячее, а протуберанцы активнее, чем в соседних областях. Все эти факторы, вместе взятые, увеличивают излучение от возмущенных участков.
Отчасти различие между водородными и кальциевыми спектрогелиограммами объясняется тем, что линия поглощения кальция приблизительно в 10 раз шире линии поглощения водорода. Кальциевые факельные площадки излучают в центре линии. Чтобы выделить такую же долю линии водорода, требуется фильтр значительно уже обычно применяемых.
Однако помимо этого имеются еще существенные различия. Сравним рис. 89, а (линия К ионизованного кальция) с рисунком 89,6 (На водорода). Хотя яркие водородные флоккулы появляются в тех же местах, что и облака кальция, они, вообще говоря, гораздо меньше по своим размерам. Как видно, большинство тонких деталей заметно на обоих снимках. Однако темные флоккулы (волокна) лучше видны на водородных спектрогелиограммах •
140 —
Рис. 88. Солнечные пятна различных типов, иллюстрирующие магнитные классы, по наблюдениям на обсерватории Маунт Вилсон. На каждом изображении вверху — фотография в белых лучах, в середине — в линии К ионизованного кальция, а внизу — в линии водорода На. а) Униполярная группа пятен (а); Ь) униполярная группа (ар), которая предшествует (лежит западнее) яркой кальциевой факельной площадке, свидетельствующей о наличии возмущенной области, даже если в ней и не наблюдается пятна; с) униполярная группа (а/), следующая за ярким флоккулом; d) биполярная группа пятен (Р); е) биполярная группа (Рр), в которой преобладает ведущее пятно пары; /) биполярная группа (Р/), в которой преобладает замыкающее пятно; g) сложная биполярная группа (ру);
h) мультиполярная группа (у). (Обсерватория Маунт Вилсон.)
Большинство спектрогелиограмм получается в линии К ионизованного кальция или линии На водорода. Другие линии солнечного спектра слишком слабы и узки для обычных исследований. Однако супруги д’Азамбужа (Медон-ская обсерватория, Франция), продемонстрировав свое замечательное искусство, с помощью специальных средств получили изображения Солнца в лучах некоторых других линий.
На рис. 89, сдан снимок,, сделанный в линии 8542 А. ионизованного кальция,, которая находится в инфракрасной части спектра. Она значительно слабее? линии К. Эту спектрогелиограмму можно сравнить, с рис. 89, а, так как обе они были сделаны одновременно. Пятнистая структура, характерная для снимка в линии К, выражена значительно слабее. Яркие пятна меньше по-величине, а темные флоккулы скорее похожи на флоккулы в линии К, чем в линии водорода. На рис. 90 дан снимок^
Рис. 89. Спектрогелиограммы,, полученные 6 августа 1937 г.: а) в линии К ионизованного* кальция; Ь) в линии LHa водорода; с) в линии ион изованн ого-кальция 8542 А (инфракрасна» область спектра). (Д’Азамбужа^ 'Медонская обсерватория.)
— 142 —
Рис. 90. Спектрогелиограмма в линии нейтрального кальция 4227 А. (Д’Азамбужа, Медонская обсерватория.)
Рис. 91. Спектрогелиограммы: а) в линии гелия (5875 А), 25 июля 1946 г.
£) в линии кальция (К), 17 сентября 1938 г.; с) в линии водорода (На\ 17 сентября 1938 г.; d) в линии гелия (инфракрасная’, 10830 А), 17 сентября 1938 г. (Д’Азамбужа, Медонская обсерватория.)
полученный в линии, принадлежащей нейтральному кальцию (4227 А). Выделяются испещренные жилками большие факельные площадки, едва ли более заметные, чем факелы.
На рис. 91, а заметна небольшая активная область, где вблизи пятна желтая линия гелия видна в эмиссии. Как отмечалось выше, для появления линий гелия как в излучении, так и в поглощении, требуются необычайно высокие температуры (25000° К). Наличие гелиевой эмиссии в кальциевой факельной площадке явно указывает на то, что это — самые горячие области солнечной атмосферы. Гелий наблюдается в эмиссии только в наиболее ярких солнечных вспышках. Эта желтая линия редко появляется в поглощении, но ов тесно связанной с нею инфракрасной линии гелия 10 830 А наблюдаются темные волокна.
Замечательны три снимка, приведенные на рис. 91, b, с, d. Два первые — обычные спектрогелиограммы в лучах кальция и водорода. Последний сделан в инфракрасной линии гелия 10 830 А. Отметим, что эмиссия ничтожна, и области, яркие в лучах водорода, кажутся темными в линии гелия.
Кинематографирование
Ранее говорилось о кинематографировании активных образований на Солнце. Эти снимки — крупный шаг вперед в понимании солнечных явлений. Три энтузиаста-любителя — покойный Фрэнсис Мак-Мас, его сын Роберт Р. Мак-Мас и их старинный друг Генри С. Халберт — построили солнечную обсерваторию, оснащенную механическим и оптическим оборудованием величайшей точности. Смелость мысли, совершенство техники и высокое качество научных;результатов поставили их обсерваторию в число ведущих в исследованиях Солнца.
За свои основные исследования Роберт Мак-Мас получил всемирное признание. Он и его коллеги были первыми исследователями в новой области спектрогелиокинематографии. Разбейте это слово на составляющие его слова и получится «спектрогелиограф» и «кино». В аппаратуре Мак-Маса использован основной принцип изучения солнечных явлений, развитый Хейлом при построении спектрогелиографа, а после значительного увеличения чувствительности инструмента возникла возможность добавить киносъемку.
Для получения каждого отдельного снимка требуется менее 30 сек. Время экспозиции можно регулировать. Последовательно фотографируют один и тот же участок солнечной поверхности. Если просматривать пленку со стандартной скоростью 16—24 кадра в секунду, то все явления окажутся ускоренными в 300— 600 раз.
144 —
Рис. 92. Роберт Р. Мак-Мас у спектрогелиографа обсерватории Мак-Мас — Халберт.
1О Наше Солнце
Глаз не в состоянии заметить медленные изменения на Солнце. Даже последовательные изображения, получаемые с помощью обычного спектрогелиографа примерно через каждые 15 минут,
Рис. 93. Обсерватория Мак-Мас—Халберт Мичиганского университета.
не создают впечатления непрерывности, получаемого от киносъемки. Фотографии Мак-Маса—Халберта впервые дали представление о динамике проявлений солнечной активности.
Один из наиболее эффективных результатов, полученных с помощью этого инструмента,— наблюдения быстрых изменений в меняющихся ярких и темных флоккулах. Это—факельные площадки, вспышки и волокна, видимые в проекции на диск Солнца.
146 -
В активной области часто наблюдается пульсирующая вспышка, пробегающая вдоль волокна от одного конца к другому.
Иногда появляются очень яркие вспышки. Из факельной площадки может быть выброшен, а затем снова втянут обратно как бы «язык» из светящегося газа. Порой внезапно возникает водородная вспышка х) рядом с большой группой пятен. Одновременно с такой вспышкой на Земле часто возникают нарушения радиосвязи на коротких волнах. Более подробно об этих быстро изменяющихся явлениях см. гл. 8 * 2).
Узкополосные фильтры
В настоящее время вместо спектрографа, используемого в качестве фильтра, применяется новый и более эффективный прибор. Как указывалось выше, обычные фильтры из цветного стекла непригодны, так как они пропускают значительно более широкую полосу спектра, чем узкая спектральная линия водорода или кальция. Для выделения монохроматического излучения существуют, однако, и другие способы, помимо применения спектроскопа или цветного стекла. Некоторые из них знакомы каждому. Радужные оттенки хрупких мыльных пузырей или тонкого слоя продуктов нефти на поверхности лужи вызываются оптическим эффектом. При прохождении света через пленку некоторые цвета действительно как бы пропадают.
Очень простой эксперимент дает прекрасный цветовой эффект. Скомкаем кусок целлофана и поместим его между двумя поляроидами. Вращая один или оба поляроида, получим цветные узоры, меняющиеся как в калейдоскопе. Хотя цвета пропускаемых лучей соответствуют таким же широким спектральным полосам, как
х) Это не значит, что вещество вспышки «состоит из водорода»: химический состав солнечной атмосферы почти всюду одинаков. Просто физические условия таковы, что наиболее интенсивно начинают светиться спектральные линии, принадлежащие водороду. (Прим, перев.).
2) К сожалению, вопреки обещанию, в дальнейшем автор совсем не останавливается на причине возникновения вспышек,— типичных проявлений нестационарных процессов на Солнце. В последнее время этим процессам уделялось большое внимание, особенно в работах советских астрофизиков А. Б. Северного, В. Е. Степанова, Е. Ф. Шапошников вой (Крымская астрофизическая обсерватория) и других. Как и движение протуберанцев, возникновение вспышек тесно связано с изменяющимися магнитными полями. В некоторых областях между пятнами создаются особые условия неустойчивости магнитного поля. Небольшого перемещения пятен уже достаточно, чтобы внезапно началось быстрое сжатие соседних силовых линий поля. Поскольку при этом магнитное поле увлекает плазму, в небольшом объеме хромосферы образуется очень большая плотность вещества, а следовательно, и мощность излучения. Таким образом, вспышки на Солнце — любопытный пример переход» энергии магнитного поля в излучение нагретого газа. (Прим, перев.).
147 -
10*
и в случае стеклянных фильтров, этот основной принцип допускает усовершенствования.
Вместо целлофана можно использовать оптически полированный кристалл кварца или кальцита. Применимы и другие вещества, если только они двоякопреломляющие. Обычное же стекло —однопреломляющая среда, так как оно пропускает луч света только вдоль одного направления. Кварц или кальцит разбивают один пучок света на два луча. Отсюда и термин
Рис. 94. Кривые пропускания пластин интерференциононго фильтра. Внизу кривая пропускания всего фильтра в целом. (Биллингс.)
«двоякопреломляющие». Эти два луча поляризованы в плоскостях, перпендикулярных друг к другу.
Одну из таких двоякопреломляющих пластин, помещенную между двумя поляроидами, можно изготовить так, что она будет пропускать целый ряд равноудаленных цветных полос, разделенных темными. Обычно делают как бы многослойный «пирог» из поляроидов и пластин кварца. При этом каждая следующая кварцевая пластина вдвое толще предыдущей. Весь «пирог» пропускает полосу спектра, ширина которой определяется самым толстым куском кварца. Наиболее толстые пластины, для которых потребовались бы слишком большие кристаллы кварца, чаще делают из кальцита.
- 148 -
Биллингс и Эванс даже рассчитали такие фильтры, у которых ширина полосы может изменяться, «настраиваясь» на какую-нибудь длину волны, однако конструирование таких фильтров и работа с ними оказались очень трудными.
Монохроматические фильтры дают астрономам возможность непосредственно получать изображение всего Солнца или его части. Применение фильтра позволяет исключить как щель спектрогелиографа, так и устройство, осуществляющее движение пластинки, на которой получается полное изображение. Снимок всего изображения с фильтром, таким образом, может быть получен за долю секунды.
Спектрогелиоскопы
Работая с прежними спектрогелиографами, наблюдатель не мог легко контролировать себя. В каждый данный момент он видел только изображение щели. С целью преодолеть эту трудность Хейл изобрел так называемый спектрогелиоскоп. В этом инструменте колеблющаяся щель пробегает через исследуемый участок изображения Солнца настолько быстро, что создается впечатление непрерывного его изображения. Необходимо только сделать колебания достаточно частыми, чтобы использовать инерцию зрительного восприятия (то же самое позволяет воспринимать изображение в кино).
Однако фильтры Лио—Эванса проще и дешевле, чем спектрогелиоскопы. Они не требуют приспособлений для развертки изображения и могут быть использованы с любым телескопом. Изготовление такого фильтра по силам любителю, достаточно опытному в создании самодельных телескопов.
Рис. 95. Солнце 7 февраля 1958 г.: а) в белом свете; Ь) спектрогелиограмма в линии кальция (обсерватория Маунт Вилсон; с) спектрогелиограмма в линии Но водорода, полученная с помощью монохроматического фильтра на обсерватории Сакраменто Пик
149 -
Факелы
Монохроматические изображения, получаемые в линиях водорода и кальция, позволяют обнаружить такие детали, которые не видны на фотографиях без фильтра. Однако между этими двумя типами фотографий существует определенная связь.
Рис. 96. Активная область вблизи солнечных пятен в линии На. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
Солнечные пятна представляются темными на любых снимках, хотя на фотографиях в линии кальция они часто кажутся целиком покрытыми яркими факельными площадками. На изображениях в белом свете также видны яркие пятна и полосы вокруг активных областей пятен. Эти образования лучше всего заметны у края солнечного диска и носят название факелов (см. рис. 20). По распределению и очертаниям они настолько хорошо совпадают с описанными выше флоккулами, наблюдаемыми в линии
- 150 -
кальция, что оба явления, несомненно, тесно связаны между собою.
Факелы можно рассматривать как нечто вроде солнечных «гор». Разумеется, в отличие от земных гор, они не являются постоянными «возвышенностями». Это — области светящейся
Рис. 97. Явление, быстро развивавшееся на Солнце 11 августа 1954 г.: а) кадры, на которых пятно почти лишено полутени; Ь) 2 минуты спустя — быстро образуется полутень; с) через одну минуту — полутень становится ярче; заметен взрыв, сопровождающийся выбросом горячих газов. (Любезно предоставлено Американской радиокорпорацией.)
фотосферы или поверхности Солнца, расположенные выше ее среднего уровня. Тесная их связь с пятнами и преимущественное появление в зонах пятен заставляет склоняться к гипотезе смещения пластов. Ранее мы указывали, что факельные поля, наблюдаемые в линии кальция, представляют собою более горячие, возмущенные и, может быть, возвышенные области Солнца.
Факелы принадлежат к наиболее долго «живущим» солнечным образованиям. Хотя их структура меняется со временем, факелы часто возникают до появления пятна на поверхности и остаются в течение долгого времени после исчезновения пятен. Создается впечатление, что они тесно связаны с наиболее возмущенными
- 151 -
областями солнечной атмосферы. Большая протяженность факелов по сравнению с пятнами говорит о том, что разрушительные силы, действующие в зонах пятен, распространены в широкой области и заложены где-то в глубине. Как отмечалось выше, возникновение факелов связано с усилением конвекции, которое, по-видимому, происходит у границ более спокойных пятен 2).
Рис. 98. Развитие большой вспышки. Фотографии получены в линии На между 17 час. 22 мин. 30 сек. и 20 час. 47 мин. 30 сек. мирового-времени 18 сентября 1957 г. Маленькая черная точка в правом нижнем углу последней фотографии дает размер Земли. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
Факелы обычно появляются в виде полосок или прожилок, а не в виде круглых пятен. Они смыкаются в систему прожилок, образующую скорее ряд «горных цепей», чем изолированных «вершин». Подобная структура довольно долго сохраняется без изменений. Между «горными цепями» хорошо заметны «долины». Высота этих «гор» пока еще не известна. Возможно, они поднимаются на высоту от 8 до 160 километров, а в иных случаях и значительно выше. «Гребни» заметно горячее соседних «долин»; поэтому они и кажутся гораздо более яркими.
1) См. примечание на стр. 33.
152 -
Если несколько продолжить сравнение факелов с горными хребтами, то можно сказать, что эти «горы» охвачены бурной вулканической деятельностью. По всей зоне факелов наблюдается огромное количество активных протуберанцев, появляются похожие на гейзеры извержения, вспышки и выбросы, простирающиеся
Рис. 99. Спектр Солнца от фиолетовых линий Н и К (вверху в центре) до полос О2 в далекой красной области (внизу в центре): а) обычный спектр; Ь) спектр вспышки 18 сентября 1957 г. (см. рис. 98). Широкие эмиссионные линии принадлежат главным образом водороду, а узкие — металлам. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
на 40 000—80 000 км над поверхностью Солнца, а иногда и гораздо выше. Светящиеся газы этих образований определяют общий характер спектрогелиограмм. Разумеется, во многом солнечную-активность совершенно нельзя сравнивать с действием земного вулканизма. Об этом мы поговорим в следующей главе.
Снимки Солнца в белом свете показывают, что даже области, лишенные пятен и факелов, ни в коем случае нельзя считать невозмущенными. Здесь вместо горных цепей факелов мы видим-
~ 153 -
'Рис. 100. Телескоп и приборы управления для фотографирования •солнечной грануляции с больших высот, изготовленные Корпорацией Перкин-Элмер.
небольшие возвышенности. Но эти образования очень быстро меняются, за время от 5 до 15 минут. Уже указывалось, что с виду эти области похожи на бурное море, по которому «пляшут» белые барашки волн. Вполне вероятно, что эти мельчайшие точки —солнечные гранулы — являются основаниями подобных им и быстро меняющихся пятнышек, заметных на спектрогелиограммах в линии водорода. Эти пятнышки в свою очередь могут быть связаны со спикулами, о которых речь будет идти в следующей главе.
В нашем распоряжении имеется сравнительно небольшое количество наблюдений гранул. Жансен во Франции и Кинан на Йеркской обсерватории определили средний размер гранул в 1—2 секунды дуги, что позже подтвердил Тиссен. Изучив снимки, сделанные Лио на обсерватории Пик дю Миди, Макри получил средний диаметр гранул 1,5 секунды дуги; на Солнце это соответствует диаметру около 1000 км,
В гл. 4 рассказывалось о том, как поглощение в земной атмосфере осложняет проблему измерения количества и качества солнечного излучения. Есть еще другая помеха, вносимая земной атмосферой и препятствующая изучению таких мелких явлений на Солнце, как гранулы. Это — нерегулярные движения в земной атмосфере, изгибающие и искажающие проходящие через нее световые лучи и «замывающие» тонкие детали; по той же причине происходит мерцание звезд. Для получения лучших фотографий гранул группа ученых под руководством М. Шварцшильда из Принстона недавно использовала гигантские воздушные шары, поднимавшие телескоп с камерой (без пассажира) на высоту более 24 км над поверхностью Земли. Это значительно выше основной части нашей атмосферы. За три первых полета (в 1957 г.) получены снимки, на которых видны гранулы с лучшим, чем когда-либо получалось на Земле, разрешением. Гранулы имеют вид неправильных ячеек,
Рис. 101. Воздушный шар с телескопом, изображенным на рис. 100.
155 -
подобно высохшей и растрескавшейся поверхности грязи; их диаметры меняются от 2 до 0,3 секунды дуги. Последнее соответствует значению, примерно, 220 км г).
Хотя для исследования тонких деталей необходимо пользоваться подобными методами наблюдений, даже в 2-дюймовый
Рис. 102. Солнечная грануляция, снятая с большой высоты телескопом^ поднятым на воздушном шаре. (М. Шварцшильд, Принстон.)
телескоп можно рассмотреть некоторые более грубые образования, по-видимому, состоящие не из отдельных гранул, а из целых групп. При таком увеличении поверхность Солнца кажется испещренной подобно корке лимона.
Г. Г. Пласкетт обнаружил, что гранулы излучают несколько больше голубых лучей, чем соседние более темные области. Это согласуется с предположением о более высокой температуре гранул. Подобные наблюдения очень трудны. Возможно, гранулы даже «голубее» и горячее, чем предполагал Пласкетт. Чрезвычайно трудно отделить излучение мелких ярких гранул от соседних более холодных областей.
Солнечные пятна и факелы меняются с 11-летним циклом. Изо дня в день в них также заметны внезапные изменения. Суще-
*) Тщательная обработка наблюдений с баллонов показала, что средний размер гранул составляет 700 км. (Прим, перев.)
— 156 —
ствуют ли подобные изменения у гранул? Группа астрономов-любителей под руководством Американской Ассоциации наблюдателей переменных звезд изучает этот вопрос, остававшийся до сих
Рис. 103. Искажения линий, вызываемые доплеровскими смещениями из-за индивидуальных движений гранул. Широкая линия справа (длина волны 5172 А.) принадлежит магнию (Mg), две линии слева — Mg и Fe. (Обсерватория Мак-Мас — Халберт.)
пор без внимания. Необходимо множество наблюдателей, чтобы полностью исключить искажения, вызываемые возмущениями в земной атмосфере.
Потемнение к краю солнечного диска
Края солнечного диска темнее центра. Это хорошо заметное даже в небольшой телескоп явление называется потемнением к краю. Прежние исследователи объясняли его поглощением солнечной атмосферы. Это объяснение основывалось на том, что вблизи края солнечные лучи пересекают более толстые слои атмосферы подобно тому как и в земной атмосфере звезда у горизонта кажется бледнее.
Позже выяснилось, что это явление, хотя и явно происходит в атмосфере, на самом деле не является следствием одного только поглощения. Как говорилось уже, луч зрения проникает в глубь солнечной атмосферы до слоев, где газ становится непрозрачным. Температура солнечной атмосферы (по крайней мере, тех ее областей, о которых идет речь) растет с глубиной. В центре диска Солнца мы видим более глубокие слои, чем на краю. Таким образом, излучение солнечного края соответствует внешним более холодным слоям; оно меньше, чем в центре. С падением температуры фиолетовое излучение уменьшается быстрее, чем красное.
- 157 -
Поэтому в синих лучах потемнение диска Солнца к краю — сильнее.
Прежние теории Лейна, Эмдена и других ученых приводили к выводу, что на самом краю Солнца интенсивность падает совсем до нуля. Это находится в явном противоречии с наблюдениями. Тогда К. Шварцшильд предположил, что большая часть
Рис. 104. Потемнение к краю Солнца для лучей различных цветов. Движущийся по изображению Солнца болометр регистрирует распределение интенсивности по диску. В инфракрасных и красных лучах интенсивность диска почти одинакова. В ультрафиолетовых лучах потемнение к краю наиболее сильное. (Аббот, Смитсоновский институт.)
энергии внутренних слоев переносится наружу излучением, а не конвекцией1). Подробное теоретическое исследование этого вопроса, выполненное главным образом Милном и Линдбладом^ показало, что потемнение солнечного диска и распределение интенсивности по цветам находятся в хорошем согласии с этой гипотезой. Однако исследования последнего времени выявили, что в переносе энергии конвекция также играет существенную роль. Как отмечалось, конвективная водородная зона простирается во внешних слоях на глубину около 1/10 радиуса Солнца.
Почему солнечная атмосфера становится непрозрачной? Какие атомы или вещества вызывают поглощение света? Предположим, например, что солнечная атмосфера подобна земной. Где бы. тогда находилась фотосфера?
Газовая оболочка Земли полностью прозрачна. Разумеется, в ней происходит некоторое рассеяние света, но все же мы легко видим сквозь нее Солнце, Луну и звезды. Если бы воздух был. плотнее раз в 20, дневное небо казалось бы подернутым почти равномерной светлой дымкой. Солнце все же было бы видно, однако, заметно потускневшим. Наблюдатель с Луны, разумеется,
т) Эмден и Лейн предполагали, что конвекция — единственный^ способ переноса энергии в звезде. (Прим, перев.)
- 158 -
не смог бы различить очертаний земных материков. Сила тяжести на Солнце в 27 раз больше, чем на Земле; поэтому в солнечной атмосфере газ сжимается сильнее, чем в земной. Если бы мы могли перенести уплотненную в 20 раз атмосферу Земли к Солнцу, то ее давление увеличилось бы до 27-20 или 540 атмосфер!
Из наблюдений солнечного спектра следует, что в действительности давление на поверхности Солнца не превышает одной десятой доли атмосферы. В противном случае вследствие большого давления линии поглощения были бы гораздо интенсивнее и значительно шире. Итак, можно сделать вывод, что непрозрачность солнечных газов по крайней мере в 5000 раз больше непрозрачности воздуха на Земле. Чем объяснить такое различие?
Как показали Рессел и Стьюарт, основной причиной непрозрачности солнечных газов является высокая степень их ионизации. Электроны, связанные с атомами, относительно плохо поглощают излучение, за исключением поглощения в некоторых отдельных спектральных линиях. Газ, состоящий из электронов, оторванных от атомов и взаимодействующих с ними, весьма непрозрачен. Не представляет труда видеть из одного конца комнаты другой. Но если находящийся в комнате газ ионизован, то он становится настолько непрозрачным, что уже на расстоянии трех метров ничего не видно. Такой газ непрозрачнее лондонского тумана.
В отношении конкретных поглощающих веществ Вилд предположил, что некоторые из имеющихся в огромном количестве атомов водорода захватывают свободные электроны. Получающиеся таким образом отрицательные ионы водорода вместе с оставшимися свободными электронами являются основным источником непрозрачности солнечной атмосферы в красной и инфракрасной областях спектра. Чандрасекар подробно исследовал свойства отрицательных ионов водорода. Он сравнил с наблюдениями теоретически ожидаемое потемнение диска Солнца к краю и получил между ними хорошее согласие. Одновременно с Чандрасекаром и совершенно независимо от него к тем же результатам пришел Шалонж. Варшавский в одной из последних работ указывает, что молекулы водорода (Н2), возможно, являются главным источником непрозрачности в ультрафиолетовой области спектра, наблюдаемой с помощью ракет. Таким образом, непрозрачность молекул и отрицательных ионов водорода определяет глубину, до которой наш взгляд проникает в Солнце. Тем самым фиксируются местоположение и свойства фотосферы — светящейся внешней границы Солнца.
8
Протуберанцы—гейзеры и вулканы
Название настоящей главы в некотором смысле неточно и может ввести в заблуждение. Сравнение с «гейзерами и вулканами» преследует цель передать общий взрывной характер атмосферы Солнца. Но земные прототипы этих явлений настолько мелки и слабы по сравнению с ними, что подобие ни в коей мере не может быть точным. Более того, многие типы облаков и движений газов солнечной оболочки совершенно ни с чем земным несравнимы. Важной новой областью науки должна стать «солнечная метеорология».
Самый низкий видимый слой солнечного шара — это светящаяся поверхность, фотосфера. Выше этого слоя расположен более холодный газ, вызывающий большую часть линий поглощения. Этот слой часто называют обращающим слоем. Верхняя часть поглощающих слоев образует хромосферу. Локьер дал им это название потому, что во время полного солнечного затмения эти верхние слои видны окрашенными. Как указывалось в гл. 2, спектр хромосферы с яркими линиями называется спектром вспышки.
11 Наше Солнце
161 -
Хромосфера и спикулы
Наблюдения обнаруживают заметную неоднородность хромосферы. Секки уже давно отмечал, что она состоит из тонких волокон, переплетающихся между собою как былинки травы.
Рис. 105. Изображение Солнца, составленное [из спектрогелиограмм.в линии кальция для поверхности Солнца и для края с протуберанцами-(Обсерватория Маунт Вилсон.)
Слово «тонкий», разумеется, надо понимать с точки зрения размеров Солнца. Отдельные стебельки имеют в толщину несколько сотен километров и вытянуты вверх на 10 000—15 000 юи. В экваториальных областях они часто наклонены или изогнуты, как
162 -
это заметно на рис. 106. Как показал В. О. Робертс, у полюсов они в основном направлены радиально. Здесь имеется некоторая неопределенность терминологии. Робертс применяет термин спикула к отдельным стебелькам, особенно находящимся в полярных областях. Другие ученые используют этот термин для описания травянистой структуры вообще. Хотя еще нет единого мнения о подробностях поведения отдельной спикулы, нет возражений против употребления этого термина в общем смысле.
По-видимому, скорость развития и характер движения экваториальных и полярных спикул различны. Полярные движутся значительно быстрее. Робертс по наблюдениям в Клаймаксе (Колорадо) нашел, что типичная полярная спикула образуется на поверхности Солнца в виде волдыря. «Опухоль» быстро растет в высоту, пока не образуется острая «горная вершина», сужающаяся у основания. По мере подъема вверх этой струи светимость газа быстро уменьшается. Одновременно «опухоль» опадает. Эти спикулы завершают цикл своего существования за очень короткое время — от 20 секунд до получаса; согласно Робертсу среднее время их жизни 4—5 минут. Робертс и Раш подсчитали, что в каждый данный момент над всей солнечной поверхностью находится примерно 20 000 спикул.
Данн, наблюдавший на обсерватории Сакраменто Пик с помощью 16-дюймового коронографа, получил кинофильм со спикулами, при большом увеличении. Он считает, что спикулы возникают преимущественно группами, вытягиваясь более или менее радиально из некоторой возвышенной точки (холмика) подобно иглам, торчащим на спине раздраженного дикобраза. Некоторые наиболее крупные спикулы похожи на струи извергающегося вверх вещества; другие развиваются в столбики с четко выраженным центральным ядром; они напоминают светящийся в тумане луч прожектора. Хромосфера с ее постоянно образующимися и исчезающими спикулами находится в состоянии непрерывных движений.
Режим и структура хромосферы говорят о наличии тесной связи между спикулами и ниже расположенными гранулами (см. стр. 34). Оба явления грубо совпадают по своим масштабам и количеству образований на солнечном диске. Если продолжить прежнее сравнение и рассматривать гранулы как волны на солнечном океане, спикулы придется сравнить с белыми барашками на их гребнях или с пеной и брызгами, вздымаемыми вверх неистовым напором волн.
Помимо этого, спикулы, по-видимому, столь же тесно связаны с тонкими образованиями в виде щеточек в солнечной короне. Учитывая, что падение ядер спикул обратно на поверхность Солнца не наблюдается, можно предполагать, что горячее вещество спикул по крайней мере частично идет на образование короны.
- 163 -
11*
Рис. 106. Хромосферные спикулы, снятые во время четырех различных затмений в 1898, 1900, 1905 и 1918 гг. на Ликской обсерватории, а также вне затмения (внизу). (Данн, обсерватория Сакраменто Пик.)
Значит, солнечная хромосфера не является ни однородной, ни неподвижной частью атмосферы. Скорее всего, это система пульсирующих и переплетающихся друг с другом спикул. Большинство исследований
физических условий в хромосфере, включая и некоторые работы автора настоящей книги, не принимало в расчет этой волокнистой структуры. Поэтому на самом деле плотность вещества и давление внутри струй могут оказаться значительно больше ранее получавшихся значений для солнечной атмосферы. Так, автором было
Рис. .107. Снимок быстро движущегося снаряда, впереди которого образовалась ударная волна — граница резкого изменения температуры и давления.
получено среднее значение электронного давления в нижней хромосфере, составляющее около одной десятимиллионной
доли атмосферы. По-видимому, для основания волокон это число следует увеличить в 10 или даже 100 раз.
Р. Н. Томас предположил, что структура хромосферы определяется ударными волнами. Ударные волны — интенсивные, сильно концентрированные импульсы механической энергии, движущиеся через газ со скоростью звука или даже быстрее. Реактивный самолет создает сильнейший гул. За самолетом сле-
дует ударная волна, весьма похожая на волну, сопровождающую летящий снаряд (рис. 107). Когда эта волна ударяется о Землю, она вызывает шум, подобный грому, часто заставляющий дрожать стекла в окнах. Ударные волны могут распространяться со скоростью, значительно превышающей скорость звука.
В земной атмосфере, состоящей из азота и кислорода, звук распространяется со скоростью примерно 300 м/сек. В хромосфе? ре скорость звука гораздо больше, порядка 10 км/сек, частично вследствие более высокой температуры, а частично потому, что основным веществом на Солнце является легкий элемент — водо; род. В еще более горячей короне скорость звука еще больше и может превышать 100 км/сек. В присутствии магнитных полей вещество становится менее подвижным, вследствие чего скорость звука еще более увеличивается.
Вспенивание огромного солнечного «океана»- поднимает такоц невероятный грохот, который и представить себе невозможно.
- 165 -
В этом грохоте преобладают басовые или, скорее, сверхнизкие ноты. Гул, едва воспринимаемый человеческим ухом, создается двадцатью колебаниями в секунду. Основная частота в солнечной атмосфере, соответствующая длине звуковой волны около 500 км, составляет одно колебание в минуту. Хотя такой низкий тон и нельзя услышать, даже если бы наблюдатель находился на солнечной поверхности, он мучительно ощущал бы эти колебания как чередующиеся волны сжатия и разрежения, следующие друг за другом с интервалом около минуты. Интенсивность этих колебаний была бы достаточна для прободения барабанной перепонки.
Звуковая волна, с ревом проходящая через всю атмосферу, оказывает сильное влияние на внешние слои. М. Шварцшильд высказал предположение, что такие волны могут эффективно нагревать разреженную внешнюю корону. Таким образом, высокая температура внешней оболочки Солнца является следствием действия этих волн. Однако в действительности этот «шум» слишком неистов, чтобы называться «звуком». Эти порывы скорее похожи на ударные волны.
По-видимому, лишь одно может быть еще более неистовым, чем ударная волна; это — сфокусированная ударная волна. Как указывали Крук и Мензел, «впадины» волн солнечных «морей» являются своего рода отражателем, который может заставлять сходиться ударные волны сильнее и резче всего как раз над точкой, где уровень наинизший. Очень может быть, что самые высокие и сильнее всего возбужденные слои хромосферы расположены над «впадинами» фотосферных волн.
Не следует забывать возможного влияния электромагнитных сил на структуру солнечной атмосферы. Существование магнитных полей следует из наблюдений. Электрические токи, необходимые для поддержания этих полей, огромны. Кроме того, эти токи обладают неустойчивостью и могут вызывать явления, подобные тем, которые наблюдаются в протуберанцах. В частности, петля из тока увеличивается в диаметре, и в то же время сокращается участок цепи, проводящий ток. Магнитные поля, связанные с этими токами, также должны оказывать фокусирующее действие на ударные волны, проходящие через данную среду г).
х) Здесь следует обратить внимание на некоторую неточность. Поскольку атмосфера Солнца в основном состоит из ионизованного вещества (плазмы), в котором как положительные, так и отрицательные заряды движутся свободно (чего нет в обычном проводнике!), проводимость вещества — огромна; иными словами, сопротивление плазмы электрическому току ничтожно, в очень много раз меньше, чем например, твердого металла. Это значит, что любое скопление зарядов, как бы мало оно ни было, быстро приведет к возникновению электрического тока. Отсюда следует, что сильных скоплений зарядов и токов, типа грозовых разрядов, на Солнце быть не может, так как всякая разность потенциалов будет
166 -
Анализ спектров вспышки
Изучение спектров вспышки, полученных во время полных затмений, значительно расширяет наши знания физических условий в хромосфере. Полная фаза затмения наступает, когда Луна в точности закрывает слои солнечной атмосферы, дающие непрерывный спектр. В этот миг становятся видимыми более высокие хромосферные слои в форме серпа, ибо если затмение полное, видимый диаметр Луны должен превышать диаметр Солнца. Если поместить стеклянную призму перед телескопом, то получится спектр, состоящий из целого ряда цветных серпов — изображений не закрытых частей атмосферы, проектирующихся на небо за краем Луны. Каждый серп соответствует излучению определенного химического элемента. Серпы — яркие, что характерно для эмиссии газа при низком давлении.
Яркие линии спектра вспышки грубо соответствуют темным фраунгоферовым линиям спектра поглощения (см. рис. 54). В обоих имеются одни и те же линии. Однако при близком рассмотрении обнаруживается ряд существенных различий. Линии нейтрального и ионизованного гелия, совершенно не видимые в обычном спектре поглощения, появляются в спектре вспышки. Вообще в спектре хромосферы отношение интенсивностей линий ионизованных металлов к интенсивностям линий нейтральных элементов значительно больше, чем в обычном фраунгоферовом спектре Солнца.
Увеличение ионизации можно объяснить либо уменьшением давления, либо ростом температуры. Полагая, что край Солнца холоднее ниже лежащих слоев, астрономы долгое время склонялись к первому объяснению. Индийский физик Саха впервые показал, что если плотность в верхней атмосфере уменьшается, то атомы относительно дольше остаются в ионизованном состоянии, ибо они реже встречаются с электронами и переходят в нейтральное состояние. Эта теория удовлетворительно объясняет основные черты спектра вспышки.
Однако присутствие линий нейтрального и ионизованного гелия нельзя объяснить таким путем. Выше упоминалось, что гелий исключительно трудно поддается возбуждению. Атомы гелия не излучают и не поглощают наблюдаемых линий до тех
быстро выравниваться. По той же причине возникшее каким-то путем магнитное поле очень долго сохраняется в плазме. Действительно, предположим, что магнитное поле начнет исчезать. По закону индукции это приведет к резкому возникновению тока, так как сопротивление среды ничтожно. Но согласно тому же закону индукции резкое изменение тока порождает магнитное поле. Это поле направлено так, как если бы оно стремилось поддержать и сохранить исходное поле. Таким образом, в солнечной атмосфере очень большую роль играют магнитные поля, и почти совсем не имеютзначения электрические поля и токи.(Прим, перев.)
- 167 -
пор, пока их эффективное возбуждение не будет соответствовать температуре не менее 20 000° К.
Как и атом любого вещества, атом гелия можно возбудить двумя путями: либо столкнуть его с какой-нибудь частицей, либо облучить светом. Достаточно энергичная частица, столкнувшись с атомом, может заставить его излучить энергию. Свет соответствующей длины волны может вызвать тот же эффект.
Легко понять, почему линии кальция, железа или натрия интенсивны в спектре хромосферы. При температурах от 4000 до 6000° имеется много свободных электронов и световых квантов, способных возбудить атом. Но для возбуждения нейтрального и ионизованного гелия требуются в 10—20 раз большие энергии, чем для обычных атомов металлов. Легко рассчитать, что температура, необходимая для такого возбуждения как столкновением, так и излучением, по меньшей мере составляет 20 000* К.
Однако проблема осложняется тем, что возбуждение гелия возрастает с переходом в более верхние слои атмосферы. Положение представляется безвыходным. Все наши предположения приводили к тому, что внешние слои Солнца холоднее внутренних. Однако наблюдения приводят нас к противоположному выводу — верхние слои горячее. Возможно, как предполагают Эйти и Мензел, в хромосфере перемешаны холодные и горячие газы, причем последние нагреваются под действием ударных волн, о чем говорилось в предыдущем разделе.
Солнечные протуберанцы
Подобные пламени хромосферные извержения — протуберанцы — имеют самые различные размеры и внешний вид*, некоторые — немногим больше увеличившейся спикулы, другие обладают особенностями, о которых следует рассказать подробнее.
4 июня 1946 г. произошел один из величайших в истории взрывов на Солнце. На рис. 108 даны фотографии этого поразительного явления.
На первом снимке, сделанном вскоре после восхода Солнца, видна большая дуга раскаленных газов, поднимающихся над изогнутым солнечным краем. Яркая поверхность Солнца закрыта черным диском. Для сравнения внизу снимка в масштабе изображена Земля в виде белой точки.
Когда был сделан первый снимок, извержение уже началось. Через 33 минуты протуберанец поднялся на высоту 400 000 километров, причем внешняя граница его дуги представляла почти точную дугу круга. На втором снимке ясно видно, что вещество протуберанца состояло из мириад волокон и полос с редкими узелками и уплотнениями. Эти полосы, казалось, были намотаны в виде спирали подобно гигантской пружине.
— 168
Рис. 108. Эруптивные протуберанцы, снятые в лучах водорода (На) 4 июня 1946 г.: а) в 16 час. 03 мин. по мировому времени (белый кружок— относительный размер Земли); Ь) 16 час. 36 мин.; с) 16 час. 51 мин.; d) 17 час. 03 мин.; е) 17 час. 23 мин.; на кинофильме видно, что левый столб быстро вращается. (Робертс. Высокогорная обсерватория,
Клаймакс.)
Протуберанец продолжал быстро подниматься со скоростью около 600 км/час, т. е. около 160 км/сек. На четвертой фотографии верх дуги протуберанца полностью вышел за пределы рамки; на последней, снятой всего через 1 час 20 минут после первой, вещество далеко рассеялось за пределы кадра. В конце концов газовое кольцо растянулось на расстояние, значительно превосходящее солнечный диаметр. Поразителен не столько вид этого протуберанца, сколько его размеры. Небольшие поднимающиеся дуги не так уж редки, но громадная сила этого взрыва на Солнце беспрецедентна.
Эти огромные облака газа, которые кажутся светящимися за краем Солнца, на диске выглядят яркими и темными флоккулами. Уже одно то, что некоторые из этих облаков кажутся темными (в поглощении), а другие — светлыми (в излучении), подчеркивает их разнообразие.
Классификация протуберанцев
Раньше исследователи делили протуберанцы на два класса: спокойные и эруптивные. Последние данные, особенно полученные с помощью кинематографирования, говорят о том, что эта классификация — недостаточна. Петтит и Мак-Мас расширили
ее. Последняя классификация Петтита следующая:		
I. Класс активных протуберанцев	I а I b I с	Взаимодействующий Обычный активный Коронально-активный
II. Класс эруптивных проту-	II а	Квазиэруптивный
беранцев	II Ьх	Обычный эруптивный
	II ь2	Эруптивная дуга
III. Класс протуберанцев сол-	III о	Колпачковые
нечных пятен	III а	Обычные корональные класса солнечных пятен
	III b	Петлеобразные корональные
	III с	Активные протуберанцы класса солнечных пятен
	III dT	Обычные возвратные протуберанцы
	Ш d2	Расширяющиеся возвратные протуберанцы
	III e	Извержения
	III f	Вторичный протуберанец
	HI g	Корональное облако
- 170 -
IV.	Класс протуберанцев тор- IV а Колоннообразное торнадо надо	IV b Ажурное торнадо
V.	Спокойный
VI.	Коронально-ленточный
Некоторые из этих категорий требуют пояснений. Взаимодействующие протуберанцы состоят из двух или большего числа основных резко выступающих протуберанцев; кажется, что они обмениваются между собою веществом, узелками или потоками. Обычные активные протуберанцы, согласно Петтиту,— наиболее распространенные из всех типов. Они состоят из однородной массы перепутанных волокон с быстро движущимися узелками. Направление потока газа, вообще говоря, постоянно; он движется к одной определенной области, которую Петтит называет «центром притяжения». Скорости движения поразительно постоянны.
Изредка поток светящегося вещества движется от внешних областей короны внутрь. Петтит называет такие образования «ко-рональными протуберанцами». Если один из таких корональных протуберанцев попадет в «центр притяжения» около протуберанца класса I Ь, его относят к классу I с. Если же нет,— то к классу VI.
Во всех протуберанцах класса II преобладают движения вниз. Узелки и волокна становятся заметно ярче по мере приближения к фотосфере, где газы, возможно, встречают некоторое слабое сопротивление или возбуждаются электромагнитными силами. От верхушки протуберанца иногда отрываются «куски» и поднимаются вверх, медленно уменьшая свою интенсивность. Некоторые из них похожи на кометы с веерообразным хвостом, направленным в сторону от Солнца.
Активные протуберанцы, развиваясь, часто превращаются в эруптивные класса II. Продолжение стадии активности часто приводит к вытягиванию протуберанца в виде дуги. По-видимому, основные различия между подклассами II класса протуберанцев частично определяются стадией развития, а частично ориентацией. Волокнистая дуга, если на нее смотреть со стороны конца, похожа на высокое дерево. Если же один конец дуги освобождается и поднимается вверх, то получается протуберанец подкласса II Ь.
Петтит утверждает, что протуберанцы класса III появляются только над пятнами, хотя часто встречаются пятна совсем без сопутствующих им протуберанцев. Робертс из Клаймакса сообщает, что он часто наблюдал протуберанцы, по форме и активности соответствующие протуберанцам класса III, но без каких-либо
171
следов лежащих под ними пятен. Тем не менее, представляется, что эти характерные протуберанцы встречаются исключительно в зоне пятен. Часть из них тесно связана с яркими кальциевыми флоккулами, появляющимися в той же зоне; например, флоккулы ярче всего вокруг возмущенных областей пятен, в то время как конденсации возникают где угодно. Возможно, связанные с ними пятна лежат под поверхностью, а протуберанцы и флоккулы являются лишь наблюдаемыми признаками активной деятельности, происходящей под поверхностью.
К классу III Петтит без разбора относит совершенно различные протуберанцы. Колпачковые протуберанцы, скорее всего, приподнятая область фотосферы. То, что эта приподнятость является следствием некоторого внутреннего давления, подтверждается внезапными выбросами из возмущенных областей. Возвратные1) протуберанцы III класса —это «ленты» вещества, выбрасываемого с очень большой скоростью. Вещество достигает максимальной высоты, а затем, уменьшаясь в интенсивности, падает обратно на Солнце. Создается впечатление, что Солнце частенько показывает огненный свой язык.
К волокнистым возвратным протуберанцам Петтит добавляет класс III d2 расширяющихся возвратных протуберанцев, разбивающихся на нечто вроде ветки. По-видимому, существуют и другие классы, не указанные Петтитом, например, возвратные протуберанцы с верхушкой в виде шляпки гриба, похожей на атомный взрыв, или еще один, возможно, чрезвычайно важный тип, не вошедший в общую классификацию,— это полуневидимый возвратный протуберанец. О его появлении можно судить по связанным с ним эффектам. Заметно только начало явления — образование выпуклости и взрыв. Но надо полагать, что за этим следует невидимый выброс большого количества вещества.
Корональные протуберанцы солнечных пятен, класс III а, состоят из целого ряда полос, веером движущихся вниз. По номенклатуре Петтита к классу III b относятся «петлеобразные корональные протуберанцы солнечных пятен». Думается, что следует опустить эпитет «корональные», потому что активность этих протуберанцев не обязательно происходит в короне. Эти типичные петлеобразные протуберанцы обычно возникают в виде яркой дуги, расположенной значительно выше поверхности .
Область свечения распространяется вниз в двух направлениях, образуя явно выраженную дугу. Удивительно, что вещество как бы течет вниз по обеим сторонам петли. Не видно явного источника этого вещества. Явление настолько же таинственно, как если
х) Часто сохраняют английский термин surge (сердж), что ближе всего можно передать словами «высокий протуберанец». (Прим, перев.)
- 172 —
бы кто-нибудь держал в руках оба конца петли отключенного шланга, а вода одновременно все же текла бы из обоих концов!
Рис. 109. Замечательный случай развития возвратного протуберанца в петлеобразный по спектрогелиограммам в линии На, полученным 23 сентября 1938 г.: а) 18 час. 03 мин. по мировому времени; Ь) 19 часов 13 мин.; с) 19 час. 43 мин.; d) 19 час. 48 мин.; е) 19 час. 54 мин.; f) 20 час. 01 мин.; g) 20 час. 08 мин.; h) 20 час. 11 мин. Изолированное яркое пятно, по-видимому, не связано с взрывом.
(Обсерватория Мак-Мас—Халберт.)
Если не учитывать размеров, протуберанцы с виду похожи на земные облака. И те и другие имеют жгутообразную или волокнистую структуру. Доступное наблюдению вещество непрерывно
- 173 -
Рис. ПО. Возвратный протуберанец, похожий на гейзер, вертикально поднявшийся на высоту около 400 000 км. После этого его интенсивность уменьшилась, а большая часть вещества упала обратно на Солнце. (Высокогорная обсерватория, Клаймакс.)
Рис. 111. Гигантский петлеобразный протуберанец. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
меняется, конденсируясь с одной стороны и улетучиваясь с другой.
Классификация Петтита в основном описательная; она исходит из внешнего вида или характера протуберанца в каждый данный момент. Класс V может перейти в I а или I Ь, а затем
Рис. 112. Протуберанец в виде гигантской петли в крупном плане. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
в класс II эруптивных протуберанцев. Отдельные фрагменты извержения могут быть отнесены к IV классу и так далее. Таким образом, в классификации нет указания на происхождение, и она годится лишь для описания явлений. Только подразделение протуберанцев, принадлежащих к III классу, представляется более четким.
В результате тщательного анализа кинофильмов Солнца, полученных на обсерваториях в Клаймаксе и на Сакраменто Пик, Мензел и Эванс предложили систему классификации солнечных протуберанцев, основанную на их «поведении». Согласно этой системе основных классов два; в протуберанцы класса А светящееся вещество главным образом поступает сверху, а у класса В— снизу. Далее каждый класс подразделяется на две группы: протуберанцы, связанные (S) и не связанные (N) с солнечными пятнами.
— 175 -
Рис. 113. Протуберанцы типа «кустов», сфотографированные на большом коронографе. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
Ниже полностью приводится эта классификация с некоторыми изменениями, внесенными Орраллом.
А. Протуберанцы, возникающие из короны
S. Протуберанцы, связанные с пятнами:
а. Дождь
f. Воронки
1.	Петли
N. Протуберанцы, не связанные с пятнами:
а.	Корональный дождь
Ь.	Ствол дерева
с.	Дерево
d.	Куст
f.	Висящее облако
ш. Холм
В. Протуберанцы, возникающие снизу, из хромосферы
S. Связанные с пятнами
а. Возвратные (серджи)
р. Клубы дыма
N. Не связанные^ с пятнами
s. Спикулы.
Наименование отдельных классов рассчитано на создание грубого представления о внешнем виде протуберанца. Протуберанцы класса А, вещество которых, по-видимому, конденсируется вверху и затем падает на солнечную поверхность, встречаются неизмеримо чаще, чем протуберанцы класса В.
Физическая природа протуберанцев
Кинофильмы гораздо глубже раскрывают природу протуберанцев, чем отдельные фотографии.
Возникает основной вопрос: различаются ли между собою протуберанцы, наблюдаемые на солнечном диске в виде светлых и темных флоккулов? Существует ли основное физическое различие между этими двумя группами? Обычно поглощение связывалось с крупными протуберанцами, а излучение с меньшими, как если бы главным было общее количество вещества. Однако проблема оказывается более сложной.
Как уже отмечалось, атом излучает во время перехода с одного энергетического уровня на другой (стр. 56). В атоме водорода последовательные уровни, начиная от уровня с наименьшей энергией, можно обозначить номерами 1,2, 3 и т. д. Линия На получается в результате перехода атома водорода со 2-го на 3-й уровень. Переход со 2-го на 3-й уровень означает поглощение, а с 3-го на 2-й — излучение. Если бы количества обоих переходов
12 Наше Солнце
- 177 -
были в точности равны, протуберанец не был бы ни ярким, ни темным. Если вообще он и был бы виден на диске Солнца, то только как едва заметное пятно.
В ярких протуберанцах большее число атомов водорода находится на 3-м уровне; это означает, что они имеют более высокую температуру. Отсюда можно сделать вывод, что яркие флоккулы горячее темных. С точки зрения возможного влияния протуберанцев на Землю вышеуказанное различие особенно важно. Яркая
Рис. 114. Спектр яркого солнечного протуберанца, полученный 6 сентября 1957 г., от границы бальмеровской серии водорода (около 3640 А — слева) до Н6, 4102 А. Самые яркие линии — Н и К ионизованного кальция. (Орралл, обсерватория Сакраменто Пик.)
область излучает гораздо больше ультрафиолетовых лучей, чем темная. Ультрафиолетовое излучение ионизует верхние слои земной атмосферы, так что классификация активных областей по их яркости может быть полезна для исследования земных явлений. Однако лишь наиболее крупные и яркие протуберанцы отчетливо видны в проекции на солнечный диск. Это затрудняет подобную классификацию.
Следует отметить, что принимавшееся ранее деление протуберанцев на два класса — водородных и металлических, возможно, соответствует темным и светлым волокнам. Но между этими двумя группами почти наверное нет различия в химическом составе. Отличие только в интенсивности. Протуберанец, как бы он ни был велик, если он обладает небольшой поверхностной яркостью, заметно излучает только линии водорода, желтую линию гелия и фиолетовые линии ионизованного кальция. Более слабые линии металлов магния и ионизованного железа незаметны на фоне яркого неба.
Однако в ярком протуберанце появляются дополнительные линии. Может даже случиться, что линии водорода и кальция достигают предельной яркости (будут «насыщены»), так что линии упомянутых металлов станут относительно ярче. Таким образом,
- 178 -
«металлический» и «водородный» протуберанцы реально ничем иным не отличаются, кроме как поверхностной яркостью и, возможно, плотностью. Однако яркие протуберанцы, вероятно, на диске Солнца выглядят светлыми.
Темные водородные флоккулы — одна из самых выдающихся черт спектрогелиограмм солнечного диска; они проектируются на яркую поверхность Солнца (рис. 84—86) и принадлежат большей частью к классу ANd. Они обладают неправильными, неровными краями, имеющими как бы фестоны или зазубрины. Часто их называют «темными волокнами». Однако не следует их рассматривать как однородные облака. Как уже указывалось, большинство протуберанцев состоит из тонких переплетающихся между собою нитей. Вся масса протуберанца похожа на моток шерстяной пряжи, в котором нити занимают лишь небольшую долю общего объема.
Сравнение с пряжей можно развить и дальше. Диаметр и форма нитей протуберанца заметно меняются в зависимости от места. В одном месте моток аккуратен, в другом — уплощен и скручен. Нити соединяют его с солнечной поверхностью. Возможно, наиболее обычной формой протуберанца является нечто вроде плоской волокнистой ленты, плоскость которой почти перпендикулярна к поверхности Солнца. Кажется, что вещество втекает в некоторую область сверху, а волокна по мере приближения к солнечной поверхности все более и более конденсируются.
Когда какое-нибудь из этих темных волокон проходит над краем Солнца и выходит за его пределы, мы наблюдаем его в виде яркого протуберанца. Однако пока оно проектировалось на диск Солнца, нельзя было представить себе его вертикальные размеры. Когда же оно на краю диска Солнца, оно видно сбоку, и нельзя судить о его толщине.
По фотографиям таких протуберанцев часто можно обнаружить поразительное постоянство формы в течение нескольких дней, несмотря на то, что за^это время Солнце поворачивается на угол в 45—60°. Это означает, что поперечное сечение волокнистой ленты некоторых протуберанцев не меняется вдоль всей их длины.
Замечательны движения газов в объектах этого типа. Можно проследить их активность, наблюдая движения отдельных узелков и конденсаций в волокнах. Впервые Петтит указал на одну удивительную черту этих движений — постоянство скоростей. Иногда в некоторых местах возникают внезапные ускорения, но нет того сильного увеличения скорссти, которое следует ожидать при падении вещества в поле солнечного притяжения. Действительно, если бы гравитация была единственной действующей силой, вещество падало бы с высоты в 30 000 км до уровня солнечной поверхности всего за каких-нибудь восемь минут, непрерывно увеличивая при этом скорость своего падения на 130 км/сек.
179 —
12*
Интересно выяснить, как могут облака висеть в течение многих дней, не меняя заметным образом своей формы. Во многих случаях это до некоторой степени ясно. Форма облаков действительно не меняется, но вещество внутри протуберанца не остается тем же самым. Эффект этот напоминает фонтан, очертание которого постоянно, хотя вода струится непрерывно.
Одной из самых замечательных особенностей протуберанцев является преимущественное движение вещества вниз, к Солнцу. Откуда же берется это вещество? Почему не видно, как оно поднимается вверх?
В настоящее время мы не в состоянии еще дать исчерпывающий ответ на эти вопросы. Отчасти ответом может служить следующая аналогия. Дождь на Земле всегда падает только вниз и никогда — вверх. Представим себе, как наиболее любознательные из наших доисторических предков были этим озадачены. Поэтому они допускали существование богов дождя, обязанностью которых было наполнять небеса водою. Не зная о таком явлении, как испарение, древние были не в состоянии представить себе, что вода может переходить с Земли на небо в каком-то другом виде.
Солнечный «дождь» состоит из светящихся атомов. Возможно, вверх движется вещество, которое не светится. Газ может перестать светиться, если температура его или слишком низка, или слишком высока. Первую возможность пока нельзя определенно исключить, хотя наблюдения говорят и не в ее пользу. Некоторые атомы, например атомы натрия, продолжают светиться при очень низких температурах. К сожалению, у нас еще нет кинофильмов в линии натрия. Когда будут получены такие снимки, можно будет обнаружить облака более холодного газа. Однако мы не слишком надеемся получить доказательство существования холодных облаков. Силы взрывов, необходимые для выброса газов на большие высоты, по-видимому, свидетельствуют о высоких, а не о низких температурах.
Но чтобы подавить излучение водорода или гелия, необходимы крайне высокие температуры, по меньшей мере, больше 500 000* G. Тот факт, что подобные температуры существуют в солнечной короне, до некоторой степени обосновывает эту точку зрения.
Темные флоккулы, по-видимому, представляют области, где газы переходят из состояния с очень большой температурой в менее нагретое состояние. Это явление происходит вследствие общей циркуляции, в которую вовлечена вся солнечная атмосфера, включая и корону. Образование флоккулов до некоторой степени аналогично тому, что метеорологи называют «фронтами» в земной атмосфере. На Земле наблюдаются самые разнообразные «воздушные массы», например, холодные сухие полярные массы
- 180 -
и теплые влажные тропические. Фронт—это линия раздела между двумя независимыми массами воздуха.
Характерные особенности солнечных пятен указывают на наличие областей с низким давлением. Следовательно, можно ожидать наличия каких-то компенсирующих областей с высоким давлением. Не следует чрезмерно развивать аналогию с земными явлениями. Тем не менее, если бы существовали две смежные области высокого давления, а между ними лежала «долина», в которой давление меньше, можно было бы ожидать циркуляцию, подобную наблюдаемой. В «долине» происходила бы конденсация волокон.»Тот факт, что волокна часто направлены в сторону пятен и, как иногда кажется, всасываются в пятна, является дополнительным доказательством в пользу приведенной выше физической картины их возникновения.
Джиованелли высказал предположение, что волокна образуются в областях, где магнитное поле пятен нейтрализует общее магнитное поле Солнца. Электропроводность газа сильно зависит от наличия или отсутствия магнитного поля. Сильное магнитное поле уменьшает электропроводность. Поэтому электроны могут двигаться лишь вдоль направлений, где магнитные силы взаимно нейтрализуются. Это еще весьма предварительные соображения, которые, возможно, будут использованы при дальнейших исследованиях вопроса. Джиованелли применяет свою теорию особенно для объяснения образования солнечных вспышек. Вполне вероятно, что в таких условиях могут возникать образования в виде лент.
В классификации Петтита все классы, за исключением III, можно объяснить возникновением волокнистых лент. В категорию «волокнистых» входит много неподвижных (возможно, даже большинство) протуберанцев. Активные и эруптивные протуберанцы являются эволюционными стадиями образований одного и того же типа. Так называемые корональные протуберанцы, по-видимому, отдельные «нити» зарождающейся ленты. Хотя это несколько сомнительно, может быть, протуберанцы солнечных пятен являются петлями из лент или нитей таких лент.
На кинофильмах видно, что вещество волокна постоянно возобновляется.' Нити образуются в верхних областях и «прокладывают» себе путь к солнечной поверхности. Последующие нити направляются большей частью по тому же пути, как если бы для образования конденсаций имелись предпочтительные области.
Очень мало известно о ранних стадиях образования волокон. На основании весьма ограниченных данных можно заключить, что только что образовавшийся протуберанец относительно мало активен. Движения газов в нем медленны. Позже активность его возрастает. Узелки и конденсации встречаются чаще и движутся
- 181 —
с большей скоростью. На последних стадиях протуберанец поднимается высоко над солнечной поверхностью, образуя нечто
Рис. 115. Темное волокно у южного полюса Солнца в линии кальция: а) 30 мая 1946 г.; Ь) 2 июня 1946 г.; с) 3 июня 1946 г.; это волокно позднее «взорвалось» и образовало протуберанец, изображенный на рис. 108. (Д'Азамбужа, Медонская обсерватория.)
вроде гигантской арки.
Уже говорилось о рис. 108, на котором изображены последовательные стадии одной из таких «взрывных» арок — самой большой из до сих пор сфотографированных. Робертс получил эти снимки 4 июня 1946 г. с помощью коронографа в Клаймаксе (Колорадо). На рис. 115 даны три снимка того же объекта, наблюдавшегося в виде темного водородного флоккула на диске. Эти фотографии были получены (раньше снимков Робертса) в Медонской обсерватории д’Азамбужа, который любезно предоставил их в наше распоряжение. На спектрогелиограммах волокнистая структура четко не видна. Протуберанец был расположен на Солнце на такой большой широте (в южном полушарии), что хорошо заметна значительная часть его плоскости. При подъеме возникает своего рода спиральная структура, как если бы протуберанец имел цилиндрическую форму или же скручивался в длину, как папиросная бумага, свертываемая в руках. Большинство снимков протуберанцев скорее подтверждает последнюю точку зрения.
Такие протуберанцы называют эруптивными, если у них наблюдается подобное расширение. Высказывалось множество предположений о природе сил, заставляющих вещество подниматься вверх. Самым распространенным был взгляд, что это происходит в [результате давления излучения под действием силы самого солнечного света. На этом предположении Милн и другие разработали обширную теорию протуберанцев. Качественно это предположение как будто было многообещающим. Каза
- 182 -
лось, что оно подтверждается ролью давления излучения в туманных хвостах комет, которые всегда направлены в сторону от Солнца.
Однако если подвергнуть гипотезу о давлении излучения строгому исследованию, возникают сомнения. Протуберанцы обладают огромными массами. Отдельная спикула может весить миллион тонн, а большое волокно содержит вещества более чем на 1000 миллионов тонн. Отталкивающей силы давления солнечного света попросту недостаточно, чтобы без помощи других сил поднять или выбросить такое количество газа.
Петтит обратил внимание на то, что воздушный шар, поднимаясь в земной атмосфере и постепенно расширяясь, движется с постоянной скоростью. Постоянство скорости подъема солнечных протуберанцев заставляет полагать, что до некоторой степени имеет место аналогия с воздушным шаром. Однако скорее всего движения солнечных протуберанцев можно объяснить действием гидродинамических или, возможно, электромагнитных сил.
Просмотр кинофильмов с протуберанцами часто наводит на мысль, что их изменения вызваны не движением вещества, а перемещением областей возбуждения. Поясним эту мысль следующей аналогией. Прожектор, ночью направленный на облака, дает светлое пятно. По мере движения луча положение пятна меняется. А вот другое сравнение: полярное сияние быстро меняет свой вид; это следует объяснять флуктуациями возбуждения, а не движениями газов в верхней атмосфере.
Отчасти помочь решению вопроса могут наблюдения эффекта Доплера в спектрах протуберанцев (стр. 51). Излучение создается атомами газового облака. Если облако неподвижно, а изменения его вида происходят из-за вариаций возбуждения, то газ должен оказаться в покое. Тогда не должно быть заметных смещений спектральных линий к красному или фиолетовому концу спектра. Однако в действительности часто наблюдаются сдвиги линий, говорящие о наличии сильных движений вещества.
Для изучения этих явлений наиболее важным следует считать метод наблюдений, производимых на обсерватории Мак-Мас — Халберт посредством спектрографа Стоуна (дар Юлиуса Стоуна). С помощью этого инструмента, являющегося разновидностью спектрогелиографа, фотографируются серии разрезов через протуберанец. Каждый отдельный снимок отмечает положение основной спектральной линии. Смещение линии в красную или фиолетовую часть спектра означает, что фотографируемая деталь протуберанца движется к нам или от нас. Таким образом, на каждом снимке измеряются скорости двжения газов в направлении вдоль луча зрения. Поскольку последовательные кадры дают представление о движениях в картинной плоскости, можно получить
- 183 -
пространственные (трехмерные) движения протуберанца и в конечном итоге определить истинное распределение вещества внутри газового тела.
Хотя подобные наблюдения указывают на сильные движения вещества, отсюда нельзя сделать непосредственного вывода о том, что исключается возможная роль вариаций возбуждения. Наоборот, мы уже пытались объяснить существование протуберанцев такими значениями температуры и давления, при которых возникает эмиссия водорода и гелия. Если меняется уровень в атмосфере, где имеют место эти условия, следует ожидать соответствующего подъема или падения протуберанца. Таким путем можно частично объяснить расширение протуберанцев. Возможно, что в результате необычайной активности волокон перед самым взрывом заполняется область низкого давления и протуберанец возникает вследствие непосредственного газового и магнитного давления снизу.
Своеобразное поведение петлеобразного протуберанца, от которого идут вниз два изгибающихся волокна, выходящие из светящегося центра, расположенного высоко над поверхностью, скорее может быть следствием распространения возбуждения, чем движения вещества.)Но для выявления истинной природы этого явления необходимы дальнейшие исследования.
J Обсуждая вопрос о протуберанцах, мы старались отдавать себе отчет в трудностях, связанных с их изучением. Попытки объяснения этих явлений часто приводят в тупик. Одна из проблем — преобладание движений, направленных вниз. Откуда же приходит вещество? Что заставляет его светиться? Почему оно движется таким странным образом? Что противодействует силе тяготения и поддерживает газовые облака?
Изучение поверхности Солнца привело нас к рассмотрению протуберанцев, а это последнее — в область короны. Скоро мы увидим, что полезно изучить эти внешние слои в связи с Солнцем в целом. Тогда и только тогда мы сможем сделать некоторые попытки найти возможные ответы на вопросы, возникшие в этом разделе.
9
Тайна короны
Солнечная корона — это жемчужный ореол, который можно видеть во время полного солнечного затмения. Эфирная прелесть короны отчасти заключается в тонком строении ее веерообразных лучей. Ее цвет подобен цвету солнечного света — преимущественно белый.
Вид короны изменчив. В периоды минимума солнечных пятен ее лучи сильно вытянуты вдоль экватора, а у полюсов возникают короткие пучки, похожие на щетки. В 1878 г. Ланглей наблюдал слабый луч вплоть до расстояния в 12 солнечных диаметров от поверхности Солнца. В периоды максимума солнечных пятен лучи на экваторе значительно менее вытянуты, корона имеет более правильную форму; ее очертания напоминают георгин.
В настоящей книге приведены фотографии короны, сделанные во время четырнадцати различных затмений. В табл. 4 даны средние числа солнечных пятен для тех месяцев, когда наблюдалось каждое из этих затмений. Во время затмения 1937 г., когда было наибольшее число пятен, корона явно была самой зубчатой и неоднородной, хотя в 1905 г. она обладала почти такой же
— 185 —
неправильной формой. Во время минимумов пятен в 1900, 1922, 1923, 1932 и 1954 гг. она была наиболее вытянутой вдоль экватора с хорошо развитыми щетками на полюсах.
Таблица 4
Числа солнечных пятен в моменты затмений и номер рисунка, изображающего соответствующую фотографию короны
Месяц	Год	Число пятен |	Номер рисунка
Январь 		1898	30	116
Май		1900	15	117
Август 		1905	59	118
Январь 		1908	39	141
Июнь 		1918	59	142
Сентябрь 		1922	5	143
Сентябрь 		1923	13	144
Январь 		1926	72	145
Октябрь		1930	34	146
Август 		1932	7	147
Июнь		1936	70	24
Июнь		1937	130	148
Февраль		1952	23	149
Июнь		1954	0	150
Однако наиболее эффектно различие между короной в эпоху максимума и минимума пятен обнаруживается по рисункам очевидцев. Даже если не учитывать искажения фотографий при печатании, внешний вид короны на снимке не согласуется с впечатлением от наблюдения глазом. Глаз чувствителен в очень широких пределах интенсивностей, а фотопластинка в значительно меньших. Поэтому на снимках вследствие передержки обычно незаметна тонкая структура яркой внутренней короны. Для преодоления этой трудности очень эффективна специальная техника печатания, впервые примененная Гарднером (см. ниже рис. 148).
Корона подобно протуберанцам, по-видимому, обладает волокнистой структурой. Во внутренней короне также хорошо видны дуги и арки, особенно подробно изучавшиеся Дж. А. Миллером, а позднее Е. Я. Бугославской. В короне 1937 г. (рис. 148) заметны полосы, которые как будто расходятся, пересекаются и снова расходятся. Этот эффект фокусировки определенно указывает на существование сил, подобных тем, которые действуют на пучок электронов со стороны нескольких накладывающихся друг на друга магнитных полей. Кроме того, обычно наибольшая протяженность короны наблюдается там, где сосредоточено большинство солнечных пятен.
- 186 -
В то время как в некоторых отношениях глаз более правдиво передает впечатление о короне в целом,— он плохой судья для оценки яркости короны, поскольку обладает тенденцией преувеличивать небольшие различия. Даже если для наиболее зазубренной с виду короны провести линии, соединяющие точки с одинаковой интенсивностью (так называемые изофоты), то они окажутся поразительно округлыми и симметричными. Самый яркий луч
Рис. 116. Корона 22 января 1898 г. (Ликская обсерватория.)
оказывется всего-навсего незначительной выпуклостью на ровном в остальном контуре. Таким образом, форма короны в действительности очень близка к шарообразной.
До тех пор, пока изучение короны ограничивалось моментами полного затмения, т. е. в среднем, самое большее, 2,9 минуты в год, знания о короне накапливались весьма медленно. Нельзя было изучать происходящие в ней изо дня в день изменения. Можно было только предполагать, что она вращается.
С изобретением коронографа положение изменилось. Возможность ежедневных наблюдений позволила предпринять исследо-
187 —
вание таких вопросов, которые до этого времени казались неразрешимыми. Коронограф изобрел выдающийся французский астро-
Рис. 117. Корона 28 мая 1900 г. щади, занимаемые ими на (Ликская обсерватория.) небе, одинаковы, можно сравнить их поверхностные яркости. В действительности внутренняя корона значительно ярче Луны. Видеть Луну днем не представляет труда. Почему же
тогда мы не можем видеть корону?
Отчасти трудность заключается в том, что обычно диск Солнца окружен ярким ореолом совершенно другой природы — возникающим в нашей атмосфере. Пыль и прочие примеси в воздухе рассеивают солнечный свет и создают это ослепительное сияние. Чтобы его увидеть, достаточно проделать простой эксперимент. Закроем один глаз и, вытянув руку,будем держать большой палец так, чтобы заслонить им Солнце. Рассмотрим небо по соседству с Солнцем. Если небо не исключитель
но чисто, белый ореол ослепит вас своим блеском. Только высоко над уровнем моря, где дожди часто омывают воздух, небо темно-
ном Бернар Лио. Разрабатывая свой прибор, Лио блестяще и в высшей степени терпеливо преодолел одну за другой все трудности, которые в свое время привели многих астрономов к убеждению, что изучать корону можно только во время полных солнечных затмений.
На первый взгляд проблема представляется достаточно простой. Общая яркость короны примерно такая же, как и у полной Луны, и поскольку, грубо говоря, пло-
Рис. 118. Корона 30 августа 1905 г. (Ликская обсерватория.)
- 188 -
синее вплоть до самого края Солнца. Наличие такого неба —первое условие, необходимое для успешной работы с коронографом.
Вторым условием являются линзы самого инструмента. Они должны быть необычайно чистыми и совершенно лишены

Рис. 119. Принцип устройства коронографа. Вверху — общий вид инструмента. Внизу — оптическая схема: а) объектив; Ь) искусственная «луна»; с) линза поля; d) откидное зеркало; е,е') линзы камеры; f) кинокамера; g) щель спектрографа; h) призма полного внутреннего отражения; i) объектив автоколлимационного спектрографа; /) дифракционная решетка; k) фокальная плоскость спектрографа; г) объектив гида; s) диафрагма гида; t) фотоэлементы гида; Л, В, В') диафрагмы, устраняющие рассеянный свет. (Высокогорная обсерватория, Клаймакс.)
царапин, пузырьков воздуха или иных дефектов. Вели ли вы когда-нибудь автомобиль против заходящего Солнца? Ореол создается не столько самим Солнцем, сколько рассеянием солнечного света на пыльном и поцарапанном ветровом стекле. Пробовали ли* вы когда-нибудь снимать объекты, находящиеся слишком близко от Солнца? Полосы и пятна получаются от света, рассеянного в камере и отраженного поверхностями линз.
Лио использовал в качестве объектива простую линзу, так как сложные ахроматические объективы, обычно применяемые
- 189 -
для больших телескопов, дают дополнительные отражения от своих поверхностей. Однако у простой линзы фокус для синих лучей заметно короче, чем для красных. Чтобы облегчить фокусировку одиночной линзы, перед камерой обычно помещают узкополосные фильтры, пропускающие лучи лишь немногих цветов.
Принцип коронографа относительно прост (рис. 119). Первая линза (объектив) образует изображение Солнца и короны. Диск,
Рис. 120. Здание коронографа обсерватории Сакраменто Пик. Под этим куполом находится труба длиной 7,5 м—самый мощный оптический инструмент обсерватории. Флигель спектрографа—сзади слева.
помещенный в фокусе, закрывает Солнце или устраивает искусственное затмение. Другая линза (камеры) фокусирует диск и незакрытое изображение короны и протуберанцев на пленку. Вспомогательные линзы и диафрагмы устраняют остающийся рассеянный свет Солнца, большая часть которого возникает от краев линзы объектива.
Употребляемые в коронографе фильтры сами по себе имеют очень большое научное значение. Р. В. Вуд, И. Эман (из Швеции), Б. Лио и Ж. В. Эванс могут считаться основными создателями
— 190 —
этого превосходного инструмента. В простейшем виде фильтр состоит из пластин кварца, чередующихся с поляроидами (см. гл. 7). Более сложные фильтры могут быть сделаны с такой узкой полосой пропускания, что инструмент, подобно спектрогелиографу, даст монохроматическое изображение диска или протуберанцев.
Коронографы в сочетании с фильтрами или спектрографами открыли новую область солнечных исследований. Например,
Рис. 121. Джон В. Эванс, директор обсерватории Сакраменто Пик, у большого спектрографа системы кудэ.
кинофильмы, полученные Лио на обсерватории Пик дю Миди, Вальдмайером в Швейцарских Альпах и наблюдателями в Клаймаксе (Колорадо) и Сакраменто Пик (Нью Мексико), дали обильные сведения об активности протуберанцев (гл. 8).
Скеллет одним из первых применил метод телевизионной развертки солнечного изображения и устранения рассеянного света неба электрическим путем. Изображение строится на экране телевизионной трубки, а затем фотографируется. Современная телевизионная камера заменяет механическую развертку прежних инструментов. В целом установка, названная «Люмикон», успешно применялась Эвансом и его сотрудниками на обсерватории Сакраменто Пик для выделения слабого, свечения короны или ее спектра при наличии яркого ореола неба.
191 -
Рис. 122. Патрульный инструмент обсерватории Сакраменто Пик. Ок снабжен шестидюймовым коронографом для киносъемок протуберанцев и короны через интерференционно-поляризационный фильтр, патрулем вспышек, фотографирующим весь солнечный диск в линии На, и телескопом для изучения солнечных пятен в белом свете.
Теперь рассмотрим некоторые проблемы, связанные с короной. Корона имеет непрерывный спектр, на фоне которого видны яркие линии. Как показали Мур и Гротриан, оказывается, непрерывный спектр состоит из двух частей.
Рис. 123. Высокогорная обсерватория Колорадского университета, Клаймакс, Колорадо.
Непрерывный спектр внешний короны — это рассеянный солнечный свет. По крайней мере, в нем можно различить фра-унгоферовы линии, хотя и очень широкие и размытые. Внутренняя корона дает чистый непрерывный спектр, в котором совсем невидно обычных солнечных линий. Отсутствуют даже самые интенсивные линии Н и К.
Частично излучение короны поляризовано. Проще всего убедиться в этом, если сфотографировать корону через поляроид, поставленный перед линзой, или, еще лучше, непосредственно
13 Наше Солнце
193 -
перед пленкой. В 1937 г. перуанский астроном-любитель Фернандо де Романья сделал снимки, приведенные на рис. 124. Стрелки
Рис. 124. Снимки короны, сделанные через поляроиды во время затмения 8 июня 1937 г. Стрелки указывают направление плоскости поляризации. Заметно изменение вида короны при различных ориентациях поляроида. (Фернандо ди Романья, Перу — Гарвард.)
на них указывают направление осей поляроидов. Видно, как меняется форма короны в зависимости от направления поляризации пропускаемого света.
Корональные линии
Эмиссионные линии, видимые в спектре короны, в течение многих лет были одной из величайших загадок в науке. Длины волн этих линий не совпадали ни с одной длиной волны для известных химических элементов. В течение долгого времени астро
- 194 -
номы предполагали существование нового химического элемента— корония. Обнаружение гелия говорило в пользу того, что это возможно. Много лет назад астрономы обнаружили в спектре протуберанцев и хромосферы таинственную желтую линию неизвестного происхождения. Они назвали излучавший ее предполагаемый элемент гелием от греческого слова helios, что значит Солнце. Вскоре Рамзей нашел неизвестный до того времени газ. который давал такое же излучение. Тем самым было доказано, что гелий существует на Земле, так же как и на Солнце. Но с течением времени химики заполнили все остававшиеся пробелы в периодической таблице элементов Менделеева (стр. 53). Тогда ученые вынуждены были прийти к выводу, что «короний» —это какой-то очень хорошо известный и возможно даже обильный элемент, «замаскировавшийся» и излучающий линии необычных длин волн вследствие особых физических условий, имеющихся в солнечной короне.
В 1940 г. шведский физик
Б. Эдлён ПОЛНОСТЬЮ решил Рис. 125. Шведский физик Ю. Эдлён. задачу. Он специализировал-
ся на изучении спектров сильно «ободранных» атомов — атомов до такой степени «исковерканных» в искре, что от них оторвано по 12 и более электронов. Исходя из предположения, высказанного Гротрианом, Эдлён блестяще объединил эксперимент и теорию и доказал, что сильно ионизованные атомы железа, никеля и кальция излучают большую часть интенсивных корональ-ных линий. Железо с 9, 10, 12 и 13 оторванными электронами дает самые сильные корональные линии. Поскольку нейтральный атом железа имеет 26 электронов, ион, излучающий зеленую корональную линию (5303 А), потерял в точности половину своих электронов. Сильно ионизованные атомы никеля и кальция излучают большую часть остальных ко-рональных линий. Несколько линий все еще не удалось отождествить.
Интенсивности эмиссионных линий, отдельных или сразу нескольких, заметно меняются в течение цикла солнечных пятен. В общем они интенсивнее вблизи максимума солнечной активности. Зеленая корональная линия (5303 А) меняется в больших
- 195 -
13*
пределах, чем красная. Свечение красной линии (6374 А) более однородно распределено вокруг солнечного края. Все линии имеют наибольшую интенсивность вблизи зон пятен. Так, в начале цикла максимум интенсивности находится в средних широтах.
Рис. 126. Снимки затмения 1932 г.: слева — изображения протуберанцев в водородной линии На; в середине — красная коро-нальная линия (6374 А); справа — зеленая (5303 А), более интенсивная в левой дуге кольца. (Ликская обсерватория.)
Рис. 127. Части спектрограммы 6 января 1956 г., показывающие (слева направо) зеленую и красную корональные линии и линию На протуберанцев. (Высокогорная обсерватория, Клаймакс.)
Свечение линий связано с пятнами и, подобно им, зоны максимального возбуждения линий перемещаются с циклом солнечной активности к экватору.
Относительные интенсивности различных линий также заметно меняются. Данные об интенсивности различных линий не при
- 196 -
несли особой пользы1). Иногда они позволяют вывести некоторые соотношения, помогающие понять физические условия в короне.
Во время затмения 1932 г. автором была замечена одна особенность. В то время близился минимум солнечных пятен, и зеленая линия была слабее красной. И только в одной области, в небольшом сегменте края Солнца, зеленая линия 5303 А была весьма интенсивна. Солнце как бы имело зеленую «ручку». Красная линия в этой области также была усилена.
Мы стали искать явление, связанное с этим усилением яркости, и нашли его. В хромосфере, как раз под областью, светившейся в зеленой линии, обнаружилось необычайное усиление линий нейтрального и ионизованного гелия. Это было первым указанием на некоторую связь между хромосферой и короной. Подобные же снимки во время затмения 1936 г. (вблизи эпохи максимума пятен), на которых линия гелия была крайне интенсивна, подтвердили эту связь. Из одних этих наблюдений был сделан вывод, что корональные линии, в то время еще не отождествленные, излучаются сильно ионизованными атомами. Тем не менее, все астрономы были поражены, когда в конце концов Эдлён показал, что возбуждение было даже больше, чем можно было ранее предполагать.
Корональные линии сильно отличаются от линий в спектре протуберанцев. У последних часто наблюдаются большие искажения и смещения, которые объясняются радиальными скоростями вдоль луча зрения (эффект Доплера). Корональные же линии однородны и не обнаруживают заметных смещений. Однако они широки, что является следствием высокой температуры.
Обычно корональные линии как бы «избегают» областей, богатых протуберанцами. Однако в 1947 г. Робертс сделал очень важные наблюдения с помощью коронографа. Он заметил, что красная (6374 А) и желтая (5694 А) линии появились в спектре очень яркого протуберанца. В этих линиях наблюдались узелки и сплетения, а также смещения вследствие движений, как и в остальных линиях протуберанцев.
То, что корону можно видеть только вблизи солнечного края, сильно ограничивает возможности изучения короны как во время затмений, так и с помощью коронографа вне затмений. Не следует забывать, что корона — пространственное образование и что мы должны пытаться представить себе ее в трех измерениях.
В этом значительную помощь оказали проведенные Робертсом ежедневные наблюдения распределения яркости вдоль восточного и западного краев Солнца. Если бы корона не менялась и вращалась вместе со всем Солнцем, яркое пятно, однажды замеченное
9 Это не так. Советскому астрофизику И. С. Шкловскому удалось на основании этих данных построить теорию ионизации короны. (Прим, перев.)
197 -
на восточном краю, показалось бы на западном спустя пол-оборота, а затем снова на восточном после целого оборота Солнца вокруг своей оси.
Робертс испробовал различные значения периода вращения, начиная от нескольких дней, до месяца и более. Для каждого из этих периодов подсчитывалось соотношение между увеличениями яркости на восточном и на западном краю Солнца. Оказалось, что
Рис.’128. Карта солнечной короны, составленная по ежедневным наблюдениям солнечного края в Клаймаксе. Заметна общая связь между яркими областями в короне, флоккулами и пятнами (по данным обсерватории Мак-Мас — Халберт).
имеется наилучшее соотношение для интервала около 13 дней. На этом основании были сделаны два вывода: а) корона — вполне устойчивое образование; б) период ее вращения составляет около 26 суток, что приблизительно равно периоду вращения ниже расположенной поверхности Солнца.
Нанося день за днем на график данные о распределении яркости вдоль солнечного края, можно составить карту яркихобластей короны и сравнить ее с хорошо известными образованиями на поверхности Солнца. На рис. 128 даны результаты одного из таких сравнений. Кривые линии соединяют места с одинаковой яркостью короны. Черные точки — ниже расположенные груп
- 198 -
пы пятен. Заштрихованные области — кальциевые факельные площадки. Следует отметить, что яркие образования в короне грубо концентрируются вокруг солнечных пятен и вообще ограничены факельными площадками. Эта связь, несомненно, показательна, но все же явного соответствия между яркими областями в короне и ниже расположенными факелами не наблюдается.
Теотш короны
Теперь постараемся объединить приведенные выше факты в своего рода теорию. Поляризация излучения короны показывает, что непрерывный спектр — это рассеянный солнечный свет. Голубой цвет неба возникает по той же причине. Если смотреть на него через поляроид и поворачивать его, можно заметить изменение интенсивности излучения неба, прошедшего через поляроид, следовательно, свет от неба поляризован.
Что касается короны, то здесь основной вопрос — чем вызывается рассеяние излучения? Молекулы и очень мелкая пыль рассеивают голубые лучи больше, чем красные. Но корона не голубая, а белая. Белый поляризованный свет дают при рассеянии свободные электроны. Однако из всех частиц у электронов наименьшая масса. Они обладают очень быстрыми хаотическими движениями. Поэтому в результате доплеровских смещений, вызванных движениями всех электронов в среде, очень сильно расширяются линии. Как уже упоминалось, во внешней короне темные линии несколько «замыты» и как бы «залиты» излучением, но если бы это вызывалось только одними движениями свободных электронов, эффект был бы гораздо больше. Вместе с тем непрерывный •спектр внутренней короны, в которой не видны даже самые сильные линии поглощения, очень хорошо объясняется гипотезой о рассеянии на свободных электронах. Большинство астрономов пришли к предварительному выводу, что излучение внутренней короны вызывается электронами. Температура, необходимая для того, чтобы при этом не наблюдались линии поглощения, достигает огромного значения в 1 000 000° С.
х Свободные протоны (ядра атома водорода) также рассеивают излучение, но примерно в четыре миллиона раз слабее, чем электроны. Поскольку газ х) должен содержать электроны и протоны примерно в одинаковых количествах, нельзя объяснить спектр короны рассеянием на протонах.
Ван де Холст и Аллен независимо друг от друга высказали предположение, что пыль, расположенная между Землей и Солнцем, вызывает ту часть коронального излучения, в которой
г) Если он ионизован. (Прим, перев,)
- 199 —
наблюдается солнечный спектр поглощения. Это рассеяние образует симметричный ореол вокруг Солнца, аналогичный значительно более яркому ореолу, создаваемому пылью в земной атмосфере. Согласно этому предположению, часть света короны является чем-то вроде дымки межпланетного пространства.
Примерно таким образом рассеивают свет мелкие частицы, чуть больше длины световой волны. Однако возникает трудность, как при столь высокой температуре, как в короне, да еще вблизи
Рис. 129. Корона в зеленой линии. Фотография получена с помощью коронографа и фильтра. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
Солнца, объяснить конденсацию из газа кусочков твердого вещества. Быть может, это частицы метеоритной пыли,медленно падающие в солнечный «очаг»?
Они не могут быть постоянной частью солнечной атмосферы. Непрерывные изменения формы короны требуют постоянного их положения. Наблюдаемый зодиакальный свет, быть может, своего рода продолжение короны в плоскости планетных орбит. Его существование отчасти подтверждает гипотезу о рассеянии света на метеорной пыли. Зодиакальный свет — туманное пятно, простирающееся от горизонта вверх вдоль эклиптики. В северном полушарии его можно видеть осенью перед восходом Солнца или весной после заката.
200
Однако наблюдаемая структура короны указывает на то, что наиболее яркие ее области — явление, принадлежащее Солнцу,
обусловленное рассеянием на свободных электронах и излучением ярких эмиссионных линий. Внешние области короны на расстоянии одного радиуса от Солнца уже отчасти являются зодиакальным светом. До сих пор еще неясно, как можно объяснить изменения вида внешней части короны в течение цикла солнечных пятен. Возможно, что когда-нибудь будет найден неизвестный еще до сих пор атомный процесс, приводящий к рассеянию солнечного спектра.
Дальнейшие трудности возникают в связи с объяснением образования ярких линий в спектре короны. Как уже говорилось, для объяснения спектров хромосферы и протуберанцев, в которых гелий теряет один из своих электронов, необходимо допустить, что температура составляет по крайней мере 20 000е К. Чтобы оторвать 13 электронов от атома железа, требуется значительно большая энергия. Для объяснения «отрыва» такого количества электронов, как показывают вычисления, необходимо допустить, что температура превышает 1 000000° К.
Указание на то, что температура короны составляет миллион градусов, следует по меньшей мере из шести не зависящих друг от друга соображений. О двух из них уже упоминалось: это наблюдае
Рис. 130. Внезатменные снимки солнечной короны, полученные с помощью коронографа и монохроматических фильтров: а) 3 сентября 1941 г. в 8 часов 00 минут в линии 5303 А; Ь) 3 сентября 1941 г. в 8 часов 15 минут в линии 6374 А; с) 14 сентября 1941 г. в 9 часов 00 минут в линии 5303 А. Заметны различия структуры между снимками в зеленой (а) и. красной (Ь) линиях, сделанными с интервалом в несколько минут. (Лио, Пик дю Миди.)
- 201 -
мое возбуждение эмиссионных линий и полное отсутствие в рассеянном свете фраунгоферовыхлиний. Если объяснять ширины корональных эмиссионных линий эффектом Доплера, т. е. тепловыми движениями атомов железа, то согласие с наблюдениями также будет при температуре 1 000 000°. Только при такой температуре прекращается излучение наиболее обильного водорода. Если рассматривать корону как атмосферу, состоящую из ионизованного водорода и находящуюся в равновесии, с одной
Рис. 131. Солнечная корона 22 ноября 1956 г. в линии 5303 А. (Обсерватория Сакраменто Пик.)
стороны, под действием сил теплового расширения, а с другой,— противодействующей им силы гравитации, то снова получится температура около 1 000 000°. Наконец, шестой аргумент относится к области радиоастрономии и будет рассмотрен в следующем разделе.
В областях особенно сильного возбуждения, например, вблизи возвратных или петлеобразных протуберанцев, Робертс обнаружил еще большее, чем в обычных местах, расширение корональных линий. Согласно вычислениям, соответствующие температуры могут достигать пяти миллионов градусов. Более того, желтая линия, приписываемая Са XV, расширяется как раз настолько, насколько этого следует ожидать, если учесть, что атомы кальция легче и потому движутся быстрее, чем атомы железа. В этих областях дополнительное нагревание, возможно, происходит вследствие ударных волн, выходящих из активных областей пятен.
Чэпмен считает, что тепловая энергия медленно просачивается из солнечной короны наружу, главным образом благодаря тепло
- 202 —
проводности и в меньшей степени вследствие излучения или конвекции. По Чэпмену, в короне, простирающейся далеко за пределы орбиты Земли, температура постепенно уменьшается от миллиона градусов вблизи Солнца примерно до 200 000* на расстоянии Земли. Поразительно, что всего в нескольких тысячах километров над нашими головами, по всей вероятности, лежит необычайно горячая область пространства. Столь высокая температура не оказала бы никакого влияния ни на человека, ни на межзвездный корабль, проходящий через такую область, так как плотность частиц в этих слоях короны слишком ничтожна. Однако некоторая доля тепла, поступающая в верхние слои земной атмосферы оказывает известное влияние на условия в ионосфере.
Солнечные о ад ношу мы
В течение самых последних лет обнаружены новые и совершенно независимые от прежних результатов данные об условиях в короне. Это неожиданно произошло во время второй мировой войны в связи с использованием радиолокаторов. Однажды после полудня в 1942 г. все британские радиолокационные станции кругового обзора вышли из строя. Интенсивное высокочастотное радиоизлучение заглушило обычный сигнал локатора. Вначале операторы заподозрили новую контрмеру врага. Но проверка показала, что все радиолокаторы на побережье были направлены в сторону заходящего Солнца, на диске которого в то время было огромное пятно.
Дальнейшими наблюдениями во время войны и вскоре после нее было установлено, что Солнце действительно является источником радиоизлучения высокой частоты. На основе исследования этого излучения возникла целая новая отрасль солнечной астрономии.
Радиоволны — такое же электромагнитное излучение, как и видимое излучение, отличающееся только неизмеримо большей длиной волны. Доступный наблюдению радиоспектр простирается примерно от 1 см до 10 м. Подобно оптическому спектру радиоспектр обрезается со стороны коротких длин волн поглощением в земной атмосфере, в данном случае молекулами кислорода и водяных паров. Со стороны длинных волн нижняя атмосфера вполне прозрачна даже в облачные дни. Но верхние ее слои, называемые ионосферой (см. гл. 14), не пропускают волны длиннее примерно 10 м. Весь электромагнитный спектр Солнца с указанием областей, где существует сильное атмосферное поглощение, схематически изображен на рис. 132.
В гл. 4 отмечалось, что распределение энергии в видимом спектре соответствует температуре 5800° К. Как видно из рис. 132,
- 203 -
для радиоизлучения это не так. Для каждой длины волны ему соответствуют различные температуру. В полосе примерно от 10 до 1 м (от 30 до 300 мегагерц) интенсивность излучения неизмеримо больше ожидаемого «теплового» излучения на этих длинах волн. Указанные температуры систематически возрастают с длиной волны от значений меньше 10 000° К для 1 см (30 000 мегагерц) до 1 000 000® на метровых волнах. Этот с первого взгляда поразительный факт в действительности просто объясняется свойствами радиоволн и строением солнечной атмосферы.
Рис. 132. График, изображающий энергию солнечного излучения на различных длинах волн. (Ковингтон, Национальный исследовательский Совет, Канада.)
Радиоволны излучаются быстро движущимися электронами в сильно ионизованных газах внешней атмосферы Солнца. Однако ионизованные газы, полностью прозрачные для видимого света, оказываются непрозрачными дда радиоизлучения с определенными длинами волн. Непрозрачность зависит от плотности ионизованного газа или, точнее, от числа свободных электронов в кубическом сантиметре. В хромосфере, где плотность сравнительно велика, газы совсем непрозрачны для метровых волн; выйти из нее и достичь Земли могут только сантиметровые волны. Метровые волны могут прийти только от разреженной короны, но не от более глубоких и плотных слоев.
Легко видеть, что вследствие этого солнечный диск в радиолучах кажется больше, чем в оптических. Более того, кажущийся
- 204 -
диаметр Солнца непосредственно зависит от длины волны радиоизлучения, в котором ведется наблюдение. На метровых волнах Солнце больше, чем на сантиметровых, и в обоих случаях оно больше видимого диска.
Чем больше длина волны, тем из более высоких слоев солнечной атмосферы приходят радиоволны. Это свойство дало астрономам новое мощное средство изучения строения хромосферы и короны. Наименьшее наблюдаемое значение температуры1) 1 000.000* на метровых волнах непосредственно связано с кинетической энергией свободных электронов в короне и является шестым доказательством столь высокого значения температуры короны.
Отметим, что речь идет о минимальном значении температуры, составляющем около 1 000 000*. В действительности, количество энергии, излучаемой на соответствующих частотах, сильно меняется. Если излучение во время сильного «всплеска» в диапазоне радиоволн, наблюдаемого в виде радиошума, считать температурным явлением, то температура оказывается больше 1 000 000 000*. Однако возможно, что эти интенсивные большие всплески радиоизлучения вызываются другими, более сложными процессами, в том числе ударными волнами и колебаниями ионизованных газов. Уже давно было обнаружено, что большая часть этого «возмущенного» излучения исходит из небольших областей на диске Солнца, расположенных вблизи активных солнечных пятен.
Изменчивость солнечных радиошумов сильно зависит от длины волны. Для волн короче 2—3 см интенсивность постоянна и не меняется. На волнах от 3 и примерно до 60 см (так называемый дециметровый диапазон) иногда наблюдаются кратковременные усиления излучения или всплески. Они длятся всего несколько минут и часто связаны с хромосферными вспышками. Кроме этого, интенсивность в дециметровом диапазоне слабо меняется с периодом примерно 27 дней, связанным с вращением Солнца, что вызывается излучением участков Солнца вблизи активных областей. Эта составляющая радиоизлучения также систематически меняется с циклом солнечных пятен (рис. 133).
Как видно из рис. 134, основной уровень излучения относительно постоянен и на метровых волнах. Но на него накладываются интенсивные и быстро меняющиеся возмущения. Часто происходят спорадические большие всплески, длящиеся всего несколько минут и связанные с сильнейшими вспышками на Солнце. Во время сильнейших больших всплесков за несколько секунд наблюдалось увеличение интенсивности в миллион раз. Некоторые большие и активные области пятен вызывают также длящиеся
х) Имеется в виду температура, измеряемая количеством радиоизлучения (см. рис. 132). (Прим, перев.)
- 205 -
в течение часов и даже дней шумовые бури, состоящие из целой серии всплесков или увеличения основного уровня. Французский: радиоастроном Дэнис нашел, что эти «шумовые пятна», вероятно,-«обрызгивают» Землю корпускулярным излучением, вызывая-полярные сияния и магнитные бури, о которых будет сказано в гл. 14. В отличие от них, «спокойные пятна» обычно движутся по диску Солнца, не вызывая на Земле никаких возмущений.
Австралийские радиоастрономы впервые отметили, что на больших частотах всплески происходят несколько раньше, чем
275
225
175
125-
1947 I 1948 I 1949 I 1950 I 1951 I 1952 I 1953 I 1954 I 1955 I 1956 I 1957
Рис. 133. Среднемесячные значения солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см за 1947—1957 гг. (Ковингтон, Национальный исследовательский Совет, Канада.)
на меньших. Они интерпретировали это запаздывание как доказательство наличия возмущения, движущегося наружу сквозь солнечную атмосферу со скоростью около 1000 км/сек и проходящего последовательно через области, из которых может выходить излучение на более низких частотах. Полученное значение скорости 1000 км/сек совпадает со скоростями, найденными для ионизованных облаковх), приходящих к нам от Солнца и вызывающих полярные сияния и магнитные бури на Земле. Делались различные предположения о том, что эти геомагнитные возмущения вызываются потоками частиц, иногда наблюдаемых как выбросы или струи, проходящие через корону. Хотя эта интерпретация представляется правильной и отчасти весьма привлекательной, некоторые ученые объясняют геомагнитные возмущения ударной волной,
т) Обычно эти облака называют корпускулярными потоками. (Прим, перев.)
— 206 —
Рис. 134. Изменение со временем наблюдаемой температуры солнечного диска на частотах 200, 600, 1200 и 2800 мегагерц и общая площадь, занятая пятнами, за период август — ноябрь 1947 г. (Пиддингтон и Миннет.}
Рис. 135. Солнечная радиостанция Форт Дэвис. Построена и эксплуатируется обсерваторией Гарвардского колледжа по договору с Исследовательским центром военно-воздушных сил США, Кембридж.
проходящей сквозь солнечную атмосферу. Вопрос пока еще слишком нов, и нельзя с уверенностью сказать, какое объяснение предпочтительнее.
Наиболее полный анализ явления запаздывания больших всплесков на меньших частотах произведен Ж. П. Вилдом. Его инструмент называется «анализатор динамических спектров»

Рис. 136. Всплеск с медленным дрейфом радиоизлучения большой интенсивности, наблюдавшийся 7 января 1957 г. с 17 час. 34 мин. до 17 час. 37 мин.: а) оригинальная запись, сделанная в Форт Дэвис; Ь) схема. Каждая из трех полос показывает интенсивность на указанных частотах. Возмущение началось7 на более высоких частотах и дрейфует к более низким. («Скай энд Телескоп».)
и представляет собою нечто вроде спектрографа для радиоволн. Обычный приемник измеряет интенсивность радиоволн только в узком диапазоне частот. Анализатор спектров быстро и автоматически настраивается на широкий диапазон частот и регистрирует интенсивность шумов в его пределах. Помимо так называемых «медленных» всплесков, о которых говорилось в предыдущем разделе, Вилд наблюдал и другие, которые он называл
14 Наше Солнце
— 209 -
Рис. 137. Всплески с быстрым дрейфом, наблюдавшиеся 4 февраля 1958 г. (Форт Дэвис.)
Рис. 138. Всплеск в виде перевернутой буквы U 29 ноября 1956 г.; быстро дрейфующий всплеск начался на высоких частотах, сместился на низкие, а затем вернулся снова на высокие. (Форт Дэвис.)
«быстрыми». Их время запаздывания значительно меньше. Они соответствуют возмущениям, движущимся наружу со скоростью 30 000—50 000 км,1сек.
Обсерватория Гарвардского университета недавно установила анализатор спектров близ Форта Дэвис в Техасе. С помощью этого инструмента А. Максвелл и его сотрудники наблюдали быстрые и медленные всплески и замечательный новый тип выбросов, названный ими «выброс в виде перевернутой буквы U>
Рис. 139. Двумерное распределение радиояркости по диску Солнца на волне 21 см. Линии проведены через одинаковые интервалы температуры в 4000° К. Яркостная температура в центре 47 000° К, а максимальной яркости соответствует температура 68 000° К. (Кристиансен и Варбуртон.)
(рис. 138). Выброс в виде перевернутого U говорит о том, что возмущение распространяется вверх, а затем возвращается в более глубокие слои. Крук предположил, что эти возмущения могут быть ударными волнами, распространяющимися вдоль магнитных силовых линий между пятнами противоположных полярностей в биполярной группе.
Другое усовершенствование обычного приемника было осуществлено В. Н. Кристиансеном и его сотрудниками из австралий
- 211 -
14е
ской Радиофизической лаборатории. Не в пример оптическим телескопам, радиотелескопы обладают плохой разрешающей силой, которая тем меньше, чем больше длина волны. Даже грубые детали структуры нельзя наблюдать без специального устройства, действующего на принципе интерференции волн (см. стр. 46). Кристиансен использовал две независимые системы антенн, одну с высоким разрешением в направлении восток — запад, а другую север — юг, чтобы получить распределение интенсивности по всему солнечному диску, как показано на рис. 139. Видно, что
Рис. 140. Изображения Солнца 4 декабря 1957 г.: а) в белом свете; Ь) в линии На(Сиднейское отделение физики); с) излучение на волне 20 см (Сиднейское отделение радиофизики). Радиоизлучение возникает на высотах от 40 000 до 100 000 км над хромосферными факельными площадками. Источник радиоизлучения за восточным (правым) краем Солнца связан с активной областью, которая еще не видна на фотографиях фотосферы и хромосферы. По своему положению он не совпадает с протуберанцем на фотографии в линии На. Контуры на радиоизображении проведены через интервалы яркости, соответствующие 130 000° К.
изображение Солнца в радиолинии с длиной волны 21 см несколько сплюснуто и имеет форму эллипсоида. Области наибольшей интенсивности расположены в зоне солнечных пятен вблизи края оптического диска. Этот эффект носит название увеличения яркости к краю диска и аналогичен, но противоположен потемнению к краю диска (см. стр. 157). Разница в том, что излучение радиолинии 21 см происходит в более высоких и горячих слоях атмосферы.
ky.j Голд и Мензел предположили, что взрывы протуберанцев и процессы, происходящие во внутренней короне, порождают очень длинные электромагнитные волны, частота которых ниже предела, воспринимаемого человеческим ухом, и составляет около 1 герца. Несколько лет назад Мензел и Салисбери нашли подтверждение существованию таких волн. Направленное наружу течение газов стремится «причесать» магнитное поле короны,
— 212 -
стараясь придать ему радиальную форму. Радиальное магнитное поле направляет волны в сторону Земли, и более короткие волны, вызванные отдельным возмущением, достигнут Земли раньше, чем более длинные.
Сходное явление происходит в земной атмосфере. Вспышка молнии во время грозы производит резкий импульс на воспринимаемых приемником радиочастотах, распространяющийся к северу и к югу вдоль магнитного поля Земли в противоположное полушарие. Большие частоты достигают приемника раньше, так что импульс воспринимается подобно свистку понижающегося тона. Записи шумов, полученные С. С. Райтом в Канаде, позволяют выявить подобный эффект, но только на значительно более низких частотах. Голд и Мензел предположили, что эти шумы имеют солнечное происхождение и назвали их солнечными свистами.
Проблемы, температуры короны
В связи с большими значениями температур короны, протуберанцев и хромосферы возникает множество проблем. Как объяснить такие температуры, если температура видимой поверхности относительно нйзка — 5800°? Согласно основному физическому принципу — второму закону термодинамики — тепло всегда передается от горячего тела к холодному, но никогда не течет в обратном направлении. Для того чтобы вскипятить воду в чайнике, нельзя поставить его в холодильник. Кажется, что поверхностная температура не может обеспечить более высокую температуру верхних слоев.
Для объяснения этого явления рассмотрим более горячие внутренние слои Солнца. Температура там быстро возрастает вплоть до значения около 15 000 000° в центре Солнца. Если бы «солнцетрясение» или солнечный вулкан могли выбросить горячее вещество Солнца на поверхность, источник энергии был бы налицо. Солнце на всем своем протяжении состоит из газа. Могут ли течения поднимающегося газа выносить изнутри массы нагретого газа? Быть может, вихревое движение солнечных пятен может действовать как центробежный насос, поднимая наверх горячее вещество?
Одно время автор определенно склонялся к такого рода теориям. Однако они встречаются с трудностями. Предположим, что некоторое количество горячего солнечного газа заключено в невесомую теплонепроницаемую оболочку. Слегка нагреем еще этот газ. Тогда вещество расширится и станет легче окружающей среды. При этом наш пузырь, как воздушный шар, станет медленно подниматься к поверхности.
- 213 -
Рис. 141. Корона 3 января 1908 г. (Ликская обсерватория.)
Рис. 142. Корона 8 июня 1918 г. (Обсерватория Маунт Вилсон.)
Рис. 143. Корона 21 сентября 1922 г. (Ликская обсерватория.)
Рис. 144. Корона 10 сентября 1923 г. (Спрульская обсерватория.)
Рис. 145. Корона 14 января 1926 г.
Рис. 146. Корона 21 октября 1930 г. (Спрульская обсерватория.)
Используя законы физики и применяя математику, можно проследить этот подъем. Шар медленно расширяется, следовательно, газ в нем охлаждается. Однако оказывается, что это охлаждение сильнее, чем охлаждение окружающей атмосферы, связанное «с подъемом вверх. Начиная с некоторого момента, газ в баллоне станет плотнее окружающей среды, и шар начнет опускаться. Таким образом, он попеременно будет то подниматься, то опускаться, пока колебания не затухнут вследствие трения. Поверхности он никогда не достигнет.
Воображаемая невесомая оболочка газового шара практически не влияет на полученный результат, за исключением того, что она удерживает первоначальный газ, не давая ему рассеяться. Из сказанного ясно: нет основания полагать, что горячие газы выходят из глубоких внутренних слоев на поверхность. Если же ввести в действие постороннюю силу и выкачивать горячие газы, они окажутся холоднее газов, наблюдаемых на поверхности. В приведенном выше рассуждении содержится возможное объяснение солнечных пятен, но никак не сильного возбуждения протуберанцев и короны.
Как уже отмечалось, турбулентный слой, по-видимому, возникает вблизи поверхности Солнца в области, где температура составляет от 10 000 до 20 000° С. Эта зона конвекции образуется вследствие происходящего в ней процесса ионизации водорода. Большинство астрономов признают, что эта область — возможный источник турбулентности, связанной с гранулами и спикулами. Томас и Хоутгаст предположили, что потоки газа выбрасываются со сверхзвуковыми скоростями и образуют сильные ударные волны, энергия которых нагревает корону до больших температур, соответствующих наблюдениям. М. Шварцшильд недавно высказал аналогичное предположение; однако он считает, что скорость волн или пульсаций меньше скорости звука. Весьма возможно, что подобные эффекты играют важную роль, определяя ‘Свойства солнечной короны, равно как и хромосферы, о чем подробно говорилось в гл. 8.
Недавно были высказаны и другие предположения, учитывающие высвобождение ядерной энергии. В гл. 11 будут рассмотрены некоторые вопросы, связанные с ядерной энергией. Пока мы не 'будем вдаваться в подробности.
Саха полагал, что в атмосфере Солнца происходит расщепление атомных ядер подобно происходящему при взрыве атомной бомбы, но с участием различных распадающихся атомов. Вулли высказал более осторожное предположение, что газы, поднимающиеся из солнечных недр, возможно, содержат радиоактивные продукты так называемого углеродного цикла, одного из атомных процессов, вероятно, являющегося причиной выделения энергии в Солнце и звездах в огромных масштабах
215 -
Рис. 147. Корона 31 августа 1932 г. (Райт, Ликская обсерватория.)
Рис. 148. Корона 8 июня 1937 г. — специальный отпечаток, показывающий структуру внутренней и внешней короны. (Гарднер, снимок принадлежит Национальному географическому обществу.)
Рис. 149. Корона 25 февраля 1952 г. (Ван Бисбрук.)
Рис. 150. Корона 30 июня 1954 г. (Роланд Рустад Младший, Миннеаполис.)-
(см. Гольдберг и Аллер, Атомы, звезды и туманности; см. также гл. 11 настоящей книги).
Оба последние предположения страдают одним и тем же главным недостатком: отсутствием количественного согласия с наблюдениями. Излучение хромосферы и короны составляет менее 1%Jot общего излучения Солнца. Основная доля солнечной энергии должна образовываться в ядре, общая масса которого, грубо говоря, составляет 1/10 общей массы Солнца. Хромосфера и корона, вместе взятые, составляют заведомо меньше одной миллионной от миллионной доли солнечной массы. Даже если бы излучение хромосферы и короны составляло лишь одну стотысячную от общего излучения Солнца, потребовалось бы существование газов, способных производить в миллион раз больше энергии, чем выделяется в глубоких недрах. Эти цифры — бесспорное возражение. Поэтому следует отбросить гипотезу о том, что возбуждение хромосферы и короны происходит в результате ядерных процессов.
Существует иная возможность, которую следует обсудить с различных точек зрения. Ее реальность зависит от наличия на Солнце переменных магнитных полей, а следовательно, и электрических токов, поскольку и те, и другие тесно связаны между собою. Альвен и Вален высказали предположение о существовании гидродинамических электромагнитных волн, медленно распространяющихся из недр Солнца наружу (см. стр. 125). Эта точка зрения представляет чрезвычайный интерес, и дальнейшее ее развитие может пролить свет на многие солнечные проблемы. В настоящее время эта гипотеза еще слишком нова, чтобы о ней говорить подробно, хотя о некоторых ее положениях будет сказано в дальнейшем.
Всякий изучавший физику знает, что с любым электрическим током связано магнитное поле. Так же точно всякое переменное магнитное поле приводит к появлению электрического поля. Следует подчеркнуть, что этим свойством обладает именно переменное поле. Постоянное поле не создает никакого тока. Проводник, движущийся в постоянном магнитном поле, изменяет это поле, в свою очередь индуцирующее электрическое поле и ток в проводнике.
Математические соотношения между электричеством и магнетизмом хорошо известны. Они описываются уравнениями, выведенными Максвеллом в 1873 г. Все электро- и радиоинженеры пользуются этими уравнениями как основным средством в своей работе.
Корональные линии совершенно не видны в обычном солнечном спектре. Они наблюдались в спектрах некоторых взрывающихся звезд, так называемых повторных новых, т. е. звезд, у которых наблюдалась больше, чем одна вспышка. Связь этих линий с
- 217 -
подобными звездными катастрофами очень существенна. Однако из этого ни в коем случае не следует, что наше Солнце может подвергнуться такому же бедствию. Просто во время вспышек некоторых звезд возникают огромные температуры, при которых атомы могут быть полностью «ободраны» и излучать корональные линии.
Наука имеет дело с бесконечным рядом проблем. Решение каждой из них порождает все новые трудности. Поиски продолжаются. В известном смысле каждый день увеличивает наше невежество.
10
Солнечные затмения — старые и новые
Из всех астрономических явлений полные солнечные затмения — наиболее эффектные. Темнеющее небо, притихший воздух, набегающая тень, суживающийся серп затмеваемого Солнца, «четки Бейли», образующиеся там, где солнечный свет «просачивается» между примыкающими к Солнцу просветами лунных гор, серебристое сияние короны, обрамляющее черный диск Луны, — разве не понятно, почему эта картина в течение тысячелетий внушала людям благоговейный трепет и страх?
Почему затмения отличаются друг от друга? Какими методами астрономы предсказывают обстоятельства затмений? Хорошо известно, что солнечные затмения происходят, когда Луна пересекает прямую, соединяющую Землю с Солнцем. Видимые движения Луны и Солнца на небе происходят по кругам, причем Луна делает 12 с лишним полных оборотов, пока Солнце сделает только один — за год. К несчастью для астрономов, оба эти пути наклонены друг к другу, так что Луна только дважды в месяц пересекает путь Солнца. «К несчастью»
- 219 -
потому, что если бы оба пути точно совпадали, то ежемесячно было бы одно солнечное затмение. Каждое новолуние Луна пересекала бы солнечный диск. Астрономы были бы очень довольны столь частой возможностью наблюдать затмения.
Рис. 151. Древнейшее изображение «четок Бейли». Во время затмения 27 октября 1780 г., в период войны за независимость США Гарвард совместно с Американской Академией искусств и наук отправили экспедицию в бухту Пенобскот. По-видимому, по ошибке, допущенной в таблицах, партия наблюдателей оказалась вне полосы полного затмения. Во время этого затмения Вильямс наблюдал «четки» и сделал этот рисунок на 56 лет раньше, чем их изучил Бейли.
•
Но природа распорядилась по-иному, и не в наших силах исправить эту «ошибку»'в космической механике. Затмения происходят только тогда, когда и Солнце, и Луна одновременно подходят к так называемым узлам, или точкам пересечения орбиты Луны с орбитой Земли. Если Солнце пересекает узел, скажем, 1 января, затмение произойдет в течение двух недель около этого момента, когда Луне случится пройти через узел. Но к 1 февраля Солнце уже отойдет от точки пересечения орбит, и Луна в новолунии пройдет либо выше, либо ниже Солнца, и затмение не сможет произойти почти в течение шести месяцев, пока Солнце не дойдет до противоположного узла. Поэтому затмения происходят во время двух сезонов, отстоящих друг от друга примерно на V2 года.
- 220 -
Для простоты представим себе Солнце и Луну движущимися вокруг неподвижной Земли. Их можно сравнить с двумя велосипедистами, один из которых (Луна) передвигается гораздо быстрее другого (Солнца). На старте оба они стоят на одной линии с судейской трибуной (узлом). Это совпадение положений Луны, Солнца и узла является моментом затмения. Старт... Выстрел...
Рис. 152. Монтаж, схематически иллюстрирующий условия полного солнечного затмения. Во время затмения конусообразная лунная тень может иметь ширину от 0 до 160 км. На фотографии в инфракрасных лучах, снятой с ракеты Викинг-12 с высоты 230 км ясно видны: часть Мексики, Калифорнийский залив и нижняя Калифорния, простирающаяся до Лос Анжелоса. Справа внизу — область Феникс, Аризона. (Официальная фотография военно-морских сил США.)
Космические гонки начались! Луна мчится прочь, а Солнце трусит, не спеша, по небесному треку. Когда, проделав один оборот, Луна проходит мимо трибуны судей, Солнце находится где-то •совсем в другом месте беговой дорожки, так что не возникает обстоятельств, приведших на прошлом круге к затмению. Солнце и Луна не нагоняют друг друга вблизи судейской трибуны.
Состязание продолжается, Солнце и Луна делают много кругов по треку. Наконец, когда Солнце после девятнадцатого круга •снова проходит мимо трибуны, Луна проносится как раз в мо-хмент, когда Солнце пересекает линию старта. Снова возникает
— 221 —
первоначальное положение на одной прямой Луны, Солнца и узла, и затмение повторяется при условиях, весьма сходных с тем, что было в начале гонок.
РиС. 153. Различные фазы кольцеобразного затмения 7 апреля 1940 г.
На космическом треке приходится столкнуться с некоторым осложнением, не имеющим места на земной беговой дорожке. Дело в том, что фактически «судейская трибуна» не неподвижна. Орбита Луны постепенно смещается, а следовательно, смещается
- 222 -
и точка ее пересечения с видимой дорожкой, по которой проходит Солнце. В результате происходит медленное движение узла назад.
Представим себе, что судейская трибуна как бы поставлена на колеса и медленно движется по космическому треку в сторону, противоположную движению гонщиков. По-
Рис. 154. Частное солнечное затмение Рис. 155. «Полное» или централь 12 ноября 1947 г. (Фермаунтская ное затмение 28 апреля 1930 г, солнечная станция.)	(Ликская обсерватория.)
этому Солнце проходит мимо трибуны каждые 346,62 дня, а не 365,24. Первую цифру часто называют затменным годом.
Предсказание затмений
В среднем промежуток времени^между двумя последовательными новолуниями составляет 29,53059 дней. 19 затменных лет равны 6585,78 дня, а 223 лунных месяца (т. е. период от одного новолуния до следующего) содержат 6585,32 дня, что составляет 18 лет и 1 Р/з дня (или 10х/3 дня, если за это время было пять високосных лет). Это уточняет предыдущее утверждение, что по прошествии 19 затменных лет условия, вызвавшие первое затмение, почти полностью повторяются. Конечно, в течение этого промежутка времени было много других затмений, но они происходили на различных расстояниях от точного положения узлов, а потому не совпадают с тем затмением, которое мы рассматриваем. Существуют как бы еще и другие судейские трибуны, расположенные не точно на линии узлов.
— 223 -
Период в 18 лет и 11х/3 дня, называемый саросом, был обнаружен в конце XVII в. Эдмундом Галлеем1). Например, 30 августа 1905 г. произошло полное солнечное затмение, которое было видно на Лабрадоре, в Испании и в Египте. Прибавив к этой дате 18 лет и 11 дней, найдем, что соответствующее следующее затмение должно было произойти 10 сентября 1923 г. Однако не следует забывать добавочных х/3 суток. За эти 8 часов Земля совершает одну треть оборота вокруг своей оси. Следовательно, полоса затмения 1923 г. расположена на 120° (х/3 от 360°) к западу от полосы затмения 1905 г. и пересекает Калифорнию и Мексику. Это затмение больше запомнилось своей облачной погодой и всеобщим разочарованием, чем научными результатами.
Сарос — случайный период, хотя, конечно, смещение лунной орбиты обусловлено определенными гравитационными силами: солнечным притяжением и не строгой сферичностью Земли. (В механике солнечной системы нет ничего подлинно случайного!) Но вторая менее известная особенность сароса делает его еще более замечательным.
Характер затмения заметно зависит от расстояния Луны от Земли. Это расстояние меняется, ибо лунная орбита представляет собою не круг, а эллипс. Когда Луна далеко от Земли и ее видимый диаметр меньше солнечного, затмение кольцеобразное; кольцо из солнечного света окружает черный диск Луны. Когда Луна близка к Земле, ее видимый диаметр больше диаметра Солнца; затмение — полное. Положение большой оси эллипса все время изменяется. Но вследствие поразительного совпадения орбита Луны возвращается в свое первоначальное положение через 18 лет 11х/2 дней! Таким образом, по истечении периода времени в один сарос не только Солнце и Луна снова находятся вблизи узла, но и расстояние Луны от Земли очень близко к первоначальному. Отсюда: по прошествии сароса последовательность затмений почти повторяется, чего бы не было, если бы не существовало этого второго, случайного соотношения.
Луна отбрасывает длинную конусообразную тень, суживающуюся в сторону Земли. Полоса затмения, о которой говорилось выше, просто путь пересечения этой тени с поверхностью Земли. Она представляет собою зону, в пределах которой затмение наблюдается как полное. Если затмение происходит, когда Луна находится на более далекой части своей орбиты, конец тени не достигает Земли. Тогда затмение будет кольцеобразным, и «полосой затмения» следует называть область, откуда Луна кажется расположенной внутри солнечного диска. Наблюдатель, находящийся вне этой области, в любом случае увидит частично закрытое Солнце, т. е. частное затмение.
*) Сарос был известен еще в Древнем Египте. (Прим, перев.)
— 224 —
Помимо сароса известны другие периоды. Один равен 29 годам без 20,3 дней. Восемнадцать таких периодов по 29 лет составляет 521 год без незначительной доли дня. Последовательные затмения двадцатидевятилетнего цикла происходят в различных участках неба, а конец тени движется по совершенно различным областям Земли.
Два цикла по 29 лет (58 лет) очень грубо совпадают с тремя циклами по 18 лет (54 года). Эллиптическая орбита Луны за 29 лет поворачивается приблизительно Р/з раза. Отсюда, если одно затмение в 29-летнем цикле полное, то следующее, весьма вероятно, будет кольцеобразным, третье — снова полным и так далее. Однако это чередование типов затмений происходит не вполне точно. За полным затмением 21 сентября 1903 г. следовало также полное затмение 31 августа 1932 г. Следующее затмение того же цикла 11 августа 1961 г. было кольцеобразным, а 22 июля 1990 г. будет полным.
В помощь желающим проверить повторяемость затмений (прошедших, настоящих и будущих) в табл. 5 дан список всех полных, кольцеобразных и частных затмений XX в. Затмения сгруппированы в порядке наступления в каждом последовательном периоде сароса. В столбцах таблицы приведены дата и тип затмения, широты и долготы точек Земли, где наблюдается начало, середина и конец полосы затмения. Знаком минус обозначается восточная, а плюсом западная долгота. В последнем столбце дана максимальная продолжительность полной или кольцевой фазы в минутах и секундах. Длительность экваториальных затмений, вообще говоря, больше чем полярных, из-за вращения Земли, вследствие которого наблюдатель перемещается в направлении движения тени.
Полные и кольцеобразные затмения вне полосы полной фазы наблюдаются как частные. В таблице затмений отмечены как частные те затмения, которые наблюдаются около полюсов, когда конец лунной тени совершенно не касается Земли.
Чтобы яснее охарактеризовать сущность сароса, проследим через все столетие эволюцию первого затмения от 28 мая 1900 г. до 22 июля 1990 г. В каждом последующем цикле это затмение происходит севернее предыдущего. Продолжительность изменяется незначительно. Впервые это затмение произошло 10 марта 1179 г. (по старому стилю) в виде частного затмения вблизи южного полюса; затем оно образует долгую последовательность кольцеобразных затмений с 1323 по 1828 г. Постепенно изменение расстояния до Луны превратило затмение в полное; первое полное затмение произошло в 1864 г. В 2062 г. это затмение снова станет частным. Последний раз оно будет наблюдаться около 2200 г. как частное затмение у северного полюса. Таким образом, нельзя продлевать цикл сароса до бесконечности в будущее. Для
15 Наше Солнце
- 225 -
Т а б л и ц <i 5
Затмения с 1900 г. н. э. до 2000 г. н. э., сгруппированные по саросам «)
	Дата		Тип ь)	Начало		Середина		Конец		Максимальная продолжительность
				широта	долгота	широта	долгота	широта	долгота	
28	мая	1900	Т	4-17°50',3	+ 116°38' ,4	4-44°56',8	+ 45° О',4	+25°20',6	— 31°37', 1	2м 8е,8
8	июня	1918	Т	+25 41	— 129 58	+50 51	+ 152 10	+25 23	+ 74 31	2 23 ,0
19	июня	1936	Т	+33 51	— 15 58	+56 24	— 101 26	+25 36	— 179 37	2 31 ,7
30	июня	1954	4'	+42 22	+ 99 4	+61 53	+ 4 32	+26 19	— 73 57	2 35 ,0
10	июля	1972	Т	+51	— 144	(-67	+ 1Н	+28	+ 32	3
22	июля	1990	т	+60	— 24	+73	— 142	+-30	+ 139	з
21	ноября	1900	А	+ 5°59',7	— 2°41',1	—33°19',1	— 65°49',9	—18°26',8	—135°19',4	6М43С,7
,5	дек.	1918	А	— 10 36	+ 119 7	-36 5	+ 53 19	— 15 4	— 14 59	7 6 ,0
14	дек.	1936	А	— 15 21	— 118 12	—37 51	+ 173 1	— 11 14	+106 40	7 25 ,6
25	дек.	1954	А	—20 И	1- 4 58	—38 40	— 66 52	— 7 13	— 130 49	7 39 ,6
4	янв.	1973	А	—25	+ 128	—39	+ 54	— 3	+ 8	8
15	янв.	1991	А	—30	— 109	-38	+ 174	0	4-114	9
17	мая	1901	Т	—27°27',6	— 40°1 Г ,2	— 2° 7',1	— 96°51',9	—12°49',0	—156°53',6	6М26С,8
29	мая	1919	Т	— 19 43	+ 75 9	+ 4 18	+ 17 23	— 12 25	— 42 27	6 50 ,6
8	июня	1937	'Г	— И 47	— 169 44	+ 9 54	+ 130 27	— 12 23	-|- 70 51	7 4 ,0
20	нюня	1955	'Г	— 3 42	— 54 49	+ 14 41	— 117 26	— 12 34	4-176 47	7 7 ,8
30	июня	1973	'Г	+ Г)	+ 60	-1-19	— 6	— 13	— 65	7
11	июля	1991	т	-! 13	4 175	+22	4 105	— 13	4- 46	6
10	ноября	1901	А	+36°55',7	— 13°34',0	+ 11 °44' ,6	— 66°29',9	4~17°20',8	— 122° 7',9	11м 2е,5
22	ноября	1919	А	+31 41	+ 102 31	+ 7 18	+ 50 24	+ 19 11	— 4 11	11 36 ,9
3	дек.	1937	А	-(-26 22	— 139 25	+ 44	+168 21	+21 47	4-115 0	12 0 ,0
14	дек.	1955	А	+21 19	— 19 40	-1-2 7	— 72 39	+25 10	— 124 36	12 9 ,3
24	дек.	1973	А	|-16	+ 102	-1- 1	47	1-29	- 3	12
1	янв..	1992	А	МН	137	г о	! 168	1 33 1	| 118	12
8 апреля 1902	Р	Арктика	
7 мая 1902	Р	Антарктика	
17 мая 1920	Р	>	
29 мая 1938	Т	—65°40'	+ 50°21'
8 июня 1956	Т	—55 25	— 179 2
20 июня 1974	т	—45	— 59
30 июня 1992	т	—35	— 35
30 окт. 1902	р	Арктика	
10 ноября 1920	р	>	
22 ноября 1938	р		
2 дек. 1956	р	»	
13 дек. 1974	р	»	
।	24 дек. 1992	р	»	
28 марта 1903	А	+39°52',3	— 80° 8',1
к? 7 апреля 1921	А	+45 41	+ 42 38
19 апреля 1939	А	+53 41	1-167 22
I 29 апреля 1957	А	4-65 34	— 56 30
11 мая 1975	Р	Арктика	
21 мая 1993	Р		
20 сент. 1903	Т	—46°17',2	— 31°13',4
" 1 окт. 1921	Т	—52 28	+ 96 33
12 окт. 1939	Т	—60 00	— 129 34
23 окт. 1957	Т	-60 31	4- 18 37
3 ноября 1975	Р	Антарктика	
13 ноября 1993	Р	»	
16 марта 1904	Л	—10°15',3	— 35°53',6
28 марта 1922	А	—7- 43 -	+-75--32- -
7 апреля 1940	А	— 4 2	—174 37
19 апреля 1958	А	+ 0 50	— 66 25
29 апреля 1976	А	+ 7	+ 41
# 				
Последнее затмение сароса
-53°27	+ 26°29'	—61°20'	— 8°33'	4м 4е,0
-40 47	4-140 26	—55 59	+ 100 32	4 44 ,7
-32	—107	—53	—149	—
-26	+ 5	—51	— 39	—
Ь65°13',4 -75 28 -88 23 -70 40	— 150° 0', 1 — 34 19 + 78 42 — 40 4	+74°56',4 +77 30 +78 6 +74 13	+ 116°45',6 — 153- 5 — 76 42 — 17 17	1м56с,7 1 54 ,4 1 52 ,6
-69°55',2	—100°46',4	—82°0',3	—178°32',3	2М14С,9
-84 23	+ 19 23	—86 20	— 127 14	1 52 ,0
-72	—165	—81 28	— 72 33	1 32 ,5
-71 15	+ 23 20	—72 45	|	-|- 28 13	
h 6°2О',6	— 95°44',8	+25°12',4	— 157° 3' ,7	8м 2е, 4
43 14	+ 16 34 -	+27 29	— 47 26	7 50 ,2
-20 20	+126 39	+29 13	+ 59 33	7 30 ,7
-27 40	—125 58	+30 33	+163 40	7 7 ,2
-35	— 21	+32	— 95	7
8SS
Дата	Тип ь)	Начало		
		широта	долгота	
10 мая 1994 9 сект. 1904 20 сент. 1922 1 окт. 1940 12 окт. 1958 23 окт. 1976 3 ноября 1994 5 марта 1905 17 марта 1923 27 марта 1941 8 апреля 1959 18 апреля 1977 19 апреля 1995 30 авг. 1905 10 сент. 1923 21 сент. 1941 2 окт. 1959 12 окт. 1977 24 окт. 1995 22 февр. 1906 5 марта 1924 17 марта 1942 27 марта 1960 7 апреля 1978	А Т Т т т т т А А А А А А Т Т Т Т Т Т Р Р Р Р Р	+14° 4- 7°53',0 + 5 30 + 2 41 — 0 31 — 4 — 8 —52° 6',1 —50 49 —47 54 —43 36 —38 —31 4-50°15',1 +48 16 +45 44 +42 35 +39 +34 Антарктика » » » >	+ 146° —162°49',7 — 43 17 + 78 30 —157 26 - 31 + 97 — 31°13',9 + 76 13 —177 51 — 72 25 + 33 +137 + 96°22',7 —154 18 — 42 22 + 72 5 —171 — 51	н
Продолжение'табл. 5
Середина		Конец		Максимальная продолжительность
широта	долгота	широта	долгота	
-42°	4- 81°	4-32°	4- 4°	ум
- 4°35',1	4-133° 5',2	—26°38',0	4- 69°45',2	бм23с,7
-11 59	—106 31	—30 15	—172 36	5 58 ,7
-19 2	4- 15 36	—32 36	— 53 47	5 35 ,4
-25 33	4-139 21	—33 39	4- 66 37	5 10 ,7
-31	— 95	—33	—171	5
-36	+ 31	—32	— 47	4
-43°19',4	— 110° О',9	—18°19',1	—172°33',5	7М58С,3
-36 40	4- 3 50	— 15 25	— 56 40	7 51 ,3
-29 19	4-115 53	—12 43	4- 56 43	7 40 ,9
-21 36	—133 40	—10 21	4-167 52	7 25 ,9
-13	— 25	— 8	— 83	7
- 6	4- 82	— 6	4- 23	7
|-45о52',0	4- 12°23',3	4-18®36',4	— 54°49',1	Зм45с,4
-37 58	4-128 16	4-13 43	4- 63 51	3 36 ,9
-30 18	—ИЗ 52	4- 9 58	—176 39	3 21 ,8
-22 57	4- 5 41	4- 7 21	— 56 16	3 1 ,8
-16	4-127	+ 6	4- 65	3
-10	—ПО	+ 5	—172	3
229
17 апреля	1996	Р	Антарктика	
21 июля	1906	Р	»	
31 июля	1924	Р	>	
12 авг.	1942	Р	»	
Конец сароса				
19 авг.	1906	Р	Арктика	
29 авг.	1924	Р	» »	
10 сент.	1942	Р		
20 сент.	1960	Р	>	
2 окт.	1978	Р	»	
12 окт.	1996	Р	>	
13 января	1907	Т	+50*25',8	— 42*18',8
24 января	1925	Т	+48 18	4- 94 24
5 февр.	1943	Т	+47 1	—129 51
15 февр.	1961	Т	+46 32	+ 5 33
26 февр.	1979	Т	+47	+140
9 марта	1987	Т	+49	— 87
10 июля	1907	А	—34°32',4	+100°30',6
21 июля	1925	А	—37 32	—161 52
1 авг.	1943	А	—41 48	— 61 21
11 авг.	1961	А	—48 4	+ 39 2
22 авг.	1979	А	—58	+142
1 сент.	1997	Р	Антарктика	
3 января	1908	Т	+10°45',1	—154°39',2
14 января	1926	Т	+ 6 52	— 21 9
25 января	1944	т	+ 3 23	+111 59
5 февр.	1962	т	+ 0 35	— 115 51
16 февр.	1980	т	— 1	+ 15
26 февр.	1998	т	— 2	+ 144
-38°40',3	— 89°12',1		Н56°45',2	—130*49',3	2М23С,6
-42 9	+ 43 33		-61 28	+ 35	2 31 ,8
И7 11	+175 34		-66 31	+135 31	2 38 ,9
(-53 26	— 52 50		|-71 41	— 93 42	2 45 ,1
Н61	+ 77		-77	+ 34	3
Н71	—154		-83	+159	3
-16°57',5	+ 50°25',1		-37°21',2	+ 1°7',0	7М23С,6
-25 51	+147 38		-47 29	+ 100 17	7 14 ,5
-36 36	—113 43		-57 55	—158 22	6 58 ,6
-50 6	— 13 36		-68 48	— 51 18	6 35 ,3
-76	+ 87		-78	+87	6
-11°51',0
-10 5
- 7 23
- 3 44
ц
+ 145°13',9 — 82 45 + 49 15
—179 14
— 48
+ 81
+ 9°53',4
+ 14 28
+ 18 48
+22 53
+27
+30
+ 84°49',1
—141 56
— 9 23
+ 121 58
—108
+ 19
4М12С,9 4 10 ,7 4 8 ,9 4 8 4 4
230
28 10 20
31
10 22
23
3
14
25
4
16
17
29
9 20 31
11
12
24
3
14
25
5
Дата		Тип Ь)	Начало		
			широта		долгота
июня	1908	Л	ч	- 4°39',3	4-129°56',8
ИЮЛЯ	1926	Л	-1	- 4 12	— 132 4
ИЮЛЯ	1944	А	+ 3 30		— 33 25
ИЮЛЯ	1962	А	+ 2 32		+ 67 1
авг.	1980	А	+ 1		+ 169
авг.	1998	А		- 1	— 87
дек.	1908	С		-22°46',1	+ 73°31',7
янв.	1927	А		-27 1	—156 31
января	1945	А		-31 21	— 26 39
января	1963	А		-35 23	+101 47
февр.	1981	А		-39	— 132
февр.	1999	А		-41	— 8
июня	1909	С		Н50° 1',7	— 81°ЗГ,6
июня	1927	Т		-46 29	+ 16 14
июля	1945	Т		-44 23	+115 57
июля	1963	Т		-43 6	— 142 12
июля	1981	Т		-42	— 40
авг. дек. дек. янв. янв. янв. февр.	1999 1909 1927 1946 1964 1982 2000	Т Р Р Р Р Р Р	А	-41 кнтарктика » » » » »	- 65
Продолжение табл. 5
Середина			Конец			Максимальная продолжительность
широта		долгота	широта		долгота	
	t-31°27',3	+ 66°55 ,3		-10° 1',0	4- 1° 8' ,0	1 1 4м ]<• j
	|—25 36	4-165 6	-	- 1 27	+ 103 29	3 51 ,1
	Н19 0	— 95 46		- 6 57	— 154 20	3 42 ,0
	НИ 49	+ 5 20		-14 57	— 51 30	3 32 ,8
	Н 4	4-108		-23	+ 52	3
	- 4	— 147		-29	+ 155	3
	-53°46',0	— 2Q27',6		-31°54',4	— 86° 1',9	0м11с,3
	-52 49	4-124 34		-27 33	+ 45 13	0 46 ,2
	-51 18	— 107 55		-23 37	+ 176 45	0 53 ,0
	-48 59	+ 19 17		-19 58	— 52 19	1	1 ,3
	-45	4-146		-16	+ 78	1
	-41	— 88		-13	— 154	1
	Н88°22',1	4-172°39',1		Н60°23',2	+ 41°58',7	0м23с,2
	-78 25	— 83 55		-51 1	+ 168 34	0 50 ,2
	-70 3	4- 20 2		-41 43	— 72 33	1 15 ,6
	-62 17	4-125 44		-33 2	+ 43 42	1 39 ,7
	-54	— 127		-25	+ 159	1
	-46	— 18		И7	— 87	2 i
231
8	мая	1910	1		72 '37' , 1	- 112° Г,5	- 17'26',!
19	мая	1928	Т		-67 11	— 12 18	—63 17
30	мая	1946	Р	Антарктика			
10	июня	1964	Р		»		
21	июня	1982	Р		»		
1	июля	2000	Р		»		
1	ноября	1910	Р	Арктика			
12	ноября	1928	Р		»		
23	ноября	1946	Р		»		
4	дек.	1964	Р		»		
15	дек.	1982	Р		»		
25	дек.	2000	Р		»		
28	апреля	1911	1		-36°47',9	—148°37',3	— 0°36',3
9	мая	1929	Т		-36 46	— 34 57	— 0 54
20	мая	1947	т		-36 30	+ 77 46	— 1 58
30	мая	1965	т		-36 18	— 170 51	— 4 24
11	июня	1983	т		-36	— 60	— 7
21	окт.	1911	А		р44°44',8	— 60°31',1	+ 10°34',5
1	ноября	1929	А		-43 27	+ 54 42	+ 8 23
12	ноября	1947	А	-	-41 6	+172 59	+ 66
23	ноября	1965	А		-37 53	— 65 30	+ 3 56
4	дек.	1983	А		-34	+ 58	+ 2
17	апреля	1912	С		н 5° 3',5	+ 61°11',4	+46°52',9
28	апреля	1930	С		и 3 32	+ 172 57	+45 41
9	мая	1948	А		- 2 33	— 77 8	+43 57
20	мая	1966	А		- 1 52	+ 30 14	+41 33
30	мая	1984	А		- 1	+ 136	+38
10	окт.	1912	Т	-1	|- 3°43',1	+ 92°28',6	—34°56',9
22	окт.	1930	Т	-1	ь 4 17	— 145 48	—36 6
1	ноября	1948	Т	4- 3 42		— 22 3	—37 21
i 126°30',0	- 16’31',2	156 '12' J>	ГЧ Г ,()
— 22 25	-58 24	- 29 14	4
+ 154°43',8	+ 1Г 5',9	-|- 90° 2',3	4M57C,2
— 89 35	+ 4 48	— 153 3	5 7 ,3
+ 24 40	— 2 12	— 36 58	5 14 J
+ 137 10	— 9 55	4- 77 49	5 15 ,9
— 111	— 18	— 168	5
—117°32',7	— 7°50',2	—117°29',0	3M50c,6
+ 0 43	— 3 45	— 59 10	3 57 ,7
+ 121 5	+ 0 34	+ 61 39	4 2 ,9
— 116 24	+ 5 1	— 175 4	4 4 ,9
+ 8	+ Ю	— 50	4
+ 0°57',6	+57°19',8	— 89°48',4	0м Г, 6
+ 112 22	+50 46	+ 22 44	0 1 ,5
— 138 8	+43 40	+ 135 10	0 51 ,7
— 31 10	+36 1	— 113 35	0 56 ,2
+ 74	+28	— 3	1
+ 33°11',2	—52°28',1	— 47°14',5	1M54C.9
+ 154 45	—48 6	4- 72 6	1 55 ,3
— 81 58	—43 23	— 165 27	1 55 ,8
		Начало	
Дата	Тип J		
		широта	долгота
12 ноября 1966	Т	+ 2°00‘	+ 104® 9'
22 ноября 1984	т	+ о	— 128
6 апреля 1913	р	Арктика	
18 апреля 1931	р	>	
28 апреля 1949	р		
9 мая 1967	р	»	
।	19 мая 1985	р	>	
_ 31 авг. 1913	р		
cS 12 сент. 1931	р	1 »	
Последнее затмение сароса			
29 сент. 1913	р	Антарктика	
11 окт. 1931	р		
21 окт. 1949	р	»	
2 ноября 1967	Т	—56°22'	+ 18°46'
12 ноября 1985	Т	— 52	+ 146
24 февр. 1914	А	—77°35',0	+ 30°54',6
7 марта 1932	А	—74 37	+179 13
18 марта 1950	А	—72 14	— 48 0
28 марта 1968	P	Антарктика	
9 апреля 1986	P		
21 авг. 1914	Т	+71°23',4	+121°11' ,9
31 авг. 1932	Т	+79 36	— 109 16
12 сент. 1950	Т	+85 10	+ 66 42
22 сент. 1968	т	+80	—108
Продолжение табл. 5
Середина		Конец		Максимальная продолжительность
широта	долгота	широта	долгота	
—38°39' —39	+ 43°14' + 170	—38°29' —33	— 39°53' + 88	1м57с,3 2
		—67° 18' —70	+ 39°58' + 164	
—62е —60 +61 0	+ 115° — 140 — 40 54	—42°51',2 —47 8 —49 35	+ 90°41',5 — 152 29 — 34 30	5*19®, 1
+70°52',5 +78 36	— 2° 4',2 +109 10	+23°44',7 +28 27 +34 23 +42	— 70°35’,8 + 40 59 +154 35 — 90	2М14С,5 1 44 ,8 1 13 ,7 1
3 окт.	1986	Т	+66°	+ 26°	
13 февр.	1915	А	—35’49',7	— 42°35',1	—26°29',7
24 февр.	1933	А	—39 25	+ 79 9	—23 56
7 марта	1951	А	—42 32	— 161 18	—21 28
18 марта	1969	А	—45	— 44	— 19
29 марта	1987	С	—47	+ 71	— 17
10 авг.	1915	А	4~23°12',3	—129°39',2	+ 16°32',4
21 авг.	1933	А	+30 11	— 24 38	+ 17 55
1 сент.	1951	А	+36 19	+ 80 56	+ 18 42
11 сент.	1969	А	+41	— 173	+ 19
23 сент.	1987	А	+46	— 68	+19
3 февр.	1916	Т	+ 7°20',8	+ 121 °11 ' ,9	+ 15°57',2
|	14 февр.	1934	Т	+ 3 55	-107 50	+19 22
25 февр.	1952	Т	+ 0 46	+ 21 14	+22 38
7 марта	1970	Т	— 2	+ 149	+25
18 марта	1988	Т	— 4	— 86	+28
।	29 июля	1916	А	28°44',6	— 89°32',1	—36°53',7
10 авг.	1934	А	— 19 36	— 10 47	—33 9
20 авг.	1952	А	— И 37	+ 111 23	—30 35
31 авг.	1970	А	— 5	— 147	—29
U сент.	1988	А	+ 1	— 44	—28
24 дек.	1916	Р	Антарктика		
5 января	1935	Р	»		
Конец сароса					
22 января	1917	Р	Арктика		
3 февр.	1935	Р	»		
14 февр.	1953	Р	в		
25 февр.	1971	Р	»		
7 марта	1989	Р	в		
	+56°	+ 28°	1*
—117e57',1	+ 13° 9',8	—174°53',8	2М17С,1
+ 55	+ 14 28	— 52 18	1 55 ,0
+ 126 52	+ 14 35	+ 68 40	1 38 ,0
— 112	+13	— 172	1
+ 6	+11	— 54	
+ 161°35',0	+21°55',9	+ 106°31',3	1м57с,9
— 94,48	—20 31	— 150 38	2 18 ,0
+ 10 28	—18 38	— 46 9	2 43 ,5
+ 117	—16	+ 60	2
— 135	—13	+ 167	2
+ 61°56',5	+49°23',8	+ 9°50',2	2М36С,2
— 168 2	+52,26	+ 136 41	2 52 ,7
— 39 15	+54 24	— 99 12	3 9 ,5
+ 88	+55	+ 23	3
— 146	+54	+ 143	3
—141°4Г,5	—63°35',6	—178°36',5	6М24С,9
— 43 12	—62 31	— 87 53	6 34 ,3
+ 56 12	—61 9	+ 4 12	6 41,1
+ 157	—59	+ 98	7
— 101	—56	— 165	7
1'1 polio.икснис таил. Ь
Дата		Тип Ь)	Начало		Середина			Конец		Максимальная продолжительность
			широта	долгота	широта	долгота	ш	ирота	долгота	
19	июня 1917	Р	Арктика							
30	июня 1935	Р	»							
11	июля 1953	Р	»							
22	июля 1971	Р	»							
Конец сароса										
18	июля 1917	Р	Антарктика							
30	июля 1935	Р	»							
9	авг. 1953	Р	»							
20	авг. 1971	Р	1	»							
31	авг. 1989	Р	»							
13	дек. 1917	А	—59° 1',9	+ 87°52',7	—89°56',6	+ 142°12',8	—56f	3 7',8	—155°41',2	
25	дек. 1935	А	—62 18	— 134 59	—87 43	— 93 14	—53	14	— 25 6	
5	января 1954	А	—65 32	+ 3 21	—85 2	+ 31 15	—50	45	I	-1-105 49	
16	января 1972	А	—69	4-143	—81	+ 156	—49		— 123	
26	января 1990	А	—71	— 74			—48		+ 7	।	
Новый сарос										
17	июня 1928	Р	Арктика							
28	июня 1946	Р	»							
9	июля 1964	Р	»							
20	июля 1982	Р	»					1		
31	июля 2000	Р	»			1		i		
а) Данные с 28 мая 1900 г. до 20 сентября 1960 г. взяты из эфемерид Американского морского ежегодника. Данные с 13 февраля 1961 г. по 2 ноября 1967 г. — из Циркуляров Военно-морской обсерватории США, с 1967 по 2 000 г. — из книги Оппольцера, Канон затмений. Данные Оппольцера не так точны, как сведения из ежегодника. Максимальная продолжительность затмений за период 1967 — 2000 гг найдена экстраполяцией.
&) Р — частное затмение, Т — полное затмение, А — кольцеобразное затмение, С — центральное затмение, т. е. сначала кольцеобразное, потом полное и затем снова кольцеобразное.
последовательности затмений, охватывающей большой промежуток времени, лучше пользоваться периодом в 521 год; однако он не дает определенных указаний на тип затмения и положение полосы полной фазы на поверхности Земли.
В течение XX в. три последовательности затмений перешли от полной к частной фазе. За тот же период времени появились три новые последовательности полных затмений. У части из них полоса полной фазы постепенно смещается к югу; приблизительно у стольких же затмений — к северу. Обычно полосы видимости полных затмений, происходящих вблизи одного и того же узла, перемещаются в одинаковом направлении. Однако из этого правила есть некоторые исключения.
Между прочим, следует обратить особое внимание на необычные затмения, отмеченные буквой С (центральные). Во время этих затмений самый конец конусообразной тени Луны едва касается Земли. Теоретически полная фаза затмения длится одну-две секунды, но практически затмение кольцевое. В момент наибольшей фазы затмения фотосфера сияет сквозь долины и впадины рельефа лунной поверхности. Четки Бейли образуют замкнутое ожерелье, нарушая полную фазу и забивая своим блеском корону.
По данным табл. 5 можно определить положение полосы любого затмения. Прежде всего следует нанести на карту три точки, определяющие начало, середину и конец полной фазы. Не следует брать карту в меркаторской проекции, на которой все линии сильно искажены. Пользоваться нужно либо глобусом, либо плоской картой, вычерченной в стереографической проекции. Через эти три точки проводится дуга окружности. Она приблизительно изображает путь конца лунной тени, т. е. полосу, где наблюдается полная или кольцеобразная фаза. Но эти данные недостаточно точны для определения, действительно ли в данном месте затмение будет полным или только близким к полному.
Наиболее полный список приближенных сведений о затмениях можно найти в каталоге Оппольцера, некоторые данные из которых взяты для табл. 5. Расчеты Оппольцера полностью охватывают период от 10 ноября 1207 г. до н. э. до 17 ноября 2161 г. н. э.
Подробные вычисления всех обстоятельств затмения,— точной полосы, моментов начала и конца затмений и т. д. требуют применения математических методов. Примерно за 10 лет до затмения астрономы могут вычислить момент затмения с точностью до одной-двух секунд и фиксировать положение полосы полной фазы с ошибкой менее чем х/3 км. Однако небольшая неуверенность возникает вследствие капризов движения Луны и вращения Земли. Фиксировавшиеся моменты начала наблюдавшихся затмений помогли астрономам точнее изучить движение Луны по орбите.
— 235 -
Самое большее, в году может быть семь затмений, в том числе 5 солнечных и 2 лунных или 4 солнечных и 3 лунных. Самое меньшее, их может быть два, и тогда оба они — солнечные. Общая продолжительность полных фаз солнечных затмений за целое
- Полное солнечное затмение
-----—— Кольцеобразное затмение
о Точка восхода
о Полуденная точка
............ Кольцеобразно-пол ное затмение
• Точка захода
Рис. 156. Полные и кольцеобразные солнечные затмения в 1940—1962 гт\ (из «Канона затмений» Оппольцера.)
столетие составляет всего 4 часа 50 минут или в среднем 2,9 минуты в год. Если бы астроном плодотворно занимался наблюдениями в течение 50 лет, не пропустив за это время ни одного затмения, всегда работая в местах, где длительность полной фазы наибольшая, и неизменно наслаждаясь хорошей погодой,— и то за эти
- 236 -
полвека он мог бы наблюдать полную фазу солнечного затмения всего 1х/2 часа! Эти цифры показывают, насколько важны такие наблюдения, а также подчеркивают, что внезатменный коронограф во много раз увеличил возможности астрономов, ограниченные малой продолжительностью затмений.
Затмения, представляющие исторический интерес вышеуказанным правилам, заинтересовавшийся читатель заметит, что сравнительно нетрудно предсказать с некоторой степенью точности, когда и где произойдет или произошло в прошлом затмение. Пользуясь 29-летним периодом, можно предсказать, что упоминавшееся выше затмение 1905 г. повторится 10 августа 1934 г., 20 июля 1963 г., 30 июня 1992 г. и 10 июня 2021 г. Идя от этой последней даты назад на упятеренный период в 521 год, получаем затмение 10 июня 585 года до н. э., вернее, 28 мая, поскольку необходимо прибавить разницу в 13 дней (после 2100 года она станет равной 14 дням) между григорианским и юлианским календарями.
Это древнее затмение, так просто вычисленное и происшедшее в 585 году до н. э., было одним из самых знаменитых во всей истории. Греческий ученый Фалес из Милета, по-видимому, предсказал его. Мидяне и лидийцы, которые вели в то время ожесточенную войну, длившуюся уже пять лет, были так напуганы затмением, что побросали оружие и заключили прочный мир, скрепив его узами двойного брака.
Другое замечательное затмение, на этот раз лунное, произошло в 413 г. до н. э. Сиракузская битва была в разгаре. Афинский флот, укрывшийся в сиракузской гавани, собирался ночью обратиться в бегство. Лунное затмение, которое произошло в роковую ночь, настолько испугало людей, что они решили отложить намеченное бегство. Суеверные афиняне думали, что затмение — дурная примета. Так и случилось. Отсрочка помогла сиракузцам укрепить свои силы. В последующей битве афиняне потеряли весь флот и всю армию. Так неоднократно затмения «влияли» на ход истории.
Самое раннее затмение, относительно которого имеется письменное указание, по-видимому, произошло 22 октября 2137 г. до н. э. Древнекитайский классик Шу Чинг рассказывает, что королевские астрономы Хи и Хо были так «пьяны от неумеренности в вине», что не предупредили народ о предстоящем затмении. Это затмение, наступившее неожиданно, до того напугало народ, что люди в панике бежали по улицам, били в барабаны и стреляли, чтобы испугать и прогнать дракона, пожирающего Солнце. По древним китайским законам в обязанности астрономов входило
- 237 -
предсказание затмений, причем любая ошибка имела самые серьезные последствия. Если предсказание «опаздывало, астронома нужно было немедленно повесить, а если опережало событие, то безотлагательно казнить». Нам неизвестно, были ли казнены Хо и Хи: об их судьбе в летописи упоминается весьма туманно.
Суеверный страх перед затмениями еще и до сих пор полностью не изжит. Не далее как в 1914 г., когда произошло полное затмение на Украине, крестьяне в ужасе толпились в церквах. А во время затмения 1922 г. австралийские туземцы решили, что астрономы намерены набросить сеть и поймать Солнце. Многие в остальном вполне просвещенные люди разделяют убеждение астрологов, что затмение — дурная примета.
Научные результаты
Древние затмения с пользой послужили научным целям. Сравнивая предсказанное положение полосы полной фазы затмения с наблюдаемым, можно проверить возможные изменения скорости.
Рис. 157. Оборудование для наблюдения затмения 19 июня 1936 г. экспедиции Гарвардского технологического института (Массачусетс), прибывшей в СССР. Слева в центре — В. Р. Брод.
вращения Земли. Таким путем было установлено, что сутки постепенно удлиняются на крохотную величину — 0,001 секунды в столетие. Это замедление объясняется трением в связи с морскими приливами, особенно в более мелких морях.
- 238 —
В предыдущих главах неоднократно упоминалось об исследованиях Солнца во время полных солнечных затмений. В это время
легче всего получить спектры короны, хромосферы и внешних частей солнечного диска.
Д л я фотогр афи ров а н и я спектров вспышки Митчелл, участвовавший в наблюдениях многих затмений, использовал простую вогнутую решетку, направленную) прямо на Солнце. Этот инструмент дает множество серпов, подобных изображенным на рис. 56. Митчелл, наблюдая за ходом затмения, выбирал точный момент открывания и закрывания затворов камеры. Это — искусство, требующее навыка и точного расчета продолжительности всех операций.
В.	Кемпбелл,	другой
неизменный наблюдатель мно-
|
Рис. 158. Вильям Уоллдс Кемпбелл (С портрета Петера ван Валькеибурга. июнь 19392г.) J *
гих затмений, использовал методы, сходные с применявшимися Митчеллом. Кроме того, он разработал так" называемый
Рис. 159. Оборудование для наблюдения затмения 31 августа 1932 г. во Фрейбурге (Майн). Слева направо — инструменты: камера для фотографирования спектра вспышки с «прыгающей» пленкой, аналогичная камера с движущейся пластинкой, корональные спектрографы, корональные камеры. (Ликская обсерватория.)
- 239 -
способ съемки на движущуюся пластинку. Кемпбелл поместил параллельно спектру узкую щель, пропускающую небольшую часть излучения от центра каждого серпа. Затем по мере хода затмения пластинка или пленка непрерывно двигалась, запечатлевая меняющийся характер спектра. На рис. 160 изображена часть прекрасного спектра вспышки, полученного Кемпбеллом во время затмения 1905 г. Для сравнения внизу дан обычный солнечный спектр.
Рис. 160. Спектр вспышки, полученный с помощью камеры с движущейся пластинкой 30 августа 1905 г. (Кемпбелл, Ликская обсерватория.)
Метод движущейся пластинки Кемпбелла дает превосходные результаты, если в хромосфере над попадающим в щель участком серпа нет протуберанцев. В противном случае линии часто раздваиваются или «размазываются». Вот почему предпочтительнее усовершенствованный метод Митчелла, сводящийся к целой серии контролируемых экспозиций, автоматически следующих одна за другой. Это позволяет полностью воспроизвести изменение спектров во время затмения.
Изобретение коронографа до некоторой степени изменило роль затмений для научных исследований. Несомненно, общая программа работ экспедиций во время затмений претерпела некоторое изменение. Задачами, которые можно решать с помощью коронографа, астрономы перестали заниматься во время затмений. Вни*
— 240 -
мание сосредоточивается на проблемах, требующих наиболее темного неба.
Основными из них, включая некоторые еще не разрешенные проблемы, являются: распределение энергии в непрерывном
Рис. 161. Солнечное затмение 25 февраля 1952 г.: а) внутренняя корона и яркий выступ протуберанца (Исследовательская лаборатория военно-морских сил США); Ь) спектр выступа яркого протуберанца с тремя магниевыми линиями. Круг — зеленая корональная линия, на краю слева —
Нр. (Высокогорная обсерватория.)
спектре короны (особенно в слабой внешней короне): структура и поляризация излучения слабых корональных лучей; связь между внешней и внутренней короной; фотографирование слабых линий хромосферного спектра вспышки с помощью спектрографов
16 Наше Солнце
- 241 -
с большой дисперсией; изучение спектра вспышки в далеком ультрафиолете и в инфракрасной области спектра; различные специальные исследования слабых деталей, обычно незаметных из-за рассеянного света в коронографе.
Рис. 162. Ультрафиолетовый спектр вспышки 25 февраля 1952 г. (Высокогорная обсерватория.)
Затмения позволяют определить точное местоположение на Солнце областей, ультрафиолетовое излучение/которых создает земную ионосферу. Поэтому производимое с помощью радиоволн исследование самой ионосферы во время затмений позволяет обнаружить связь между Солнцем и верхними слоями земной атмосферы. Для подобных исследований кольцеобразные и частные
затмения также весьма полезны, тогда как для обычных фотографических исследований ценность этих затмений весьма мала. В последней главе будут подробнее рассмотрены некоторые из этих проблем.
Рис. 163. «Геометрия» образования спектра вспышки. Когда тень от Луны как раз касается края фотосферы, непрерывный спектр ее не может быть виден, поэтому яркие эмиссионные линии хромосферы вспыхивают в различных длинах волн. Для более высоких слоев хромосферы серпы длиннее. Дано не в масштабе. («Скай энд Телескоп».)
Проверка теории Эйнштейна
Одной из самых важных проблем, требующих дальнейшего изучения во время затмений, является отклонение света звезд в
гравитационном поле Солнца. Эйнштейн, развивая свою знаменитую теорию относительности, в качестве одного из следствий предсказал, что луч звезды, проходящий вблизи Солнца, должен отклоняться на небольшой угол. Вследствие этого изображение звезды должно удалиться от Солнца на угол в 1,74 секунды дуги,
— 242 —
если звезда наблюдается у самого края. Чем дальше от Солнца отстоит звезда, тем смещение это меньше.
Этот угол крайне мал; 1,74 секунды дуги соответствует углу, под которым видна копеечная монета с расстояния около двух километров. Однако астрономы привыкли измерять и гораздо
Рис. 164. Камера Эйнштейна, Валлал, Австралия, 21 сентября 1922 г. (Ликская обсерватория.)
меньшие углы. Необходимо принимать специальные меры предосторожности. В полосе полной фазы затмения устанавливают оборудование — мощный телескоп с фотокамерой. Применяются толстые фотопластинки, на которые наносится специальная эмульсия, позволяющая получить устойчивое изображение, не подверженное деформациям. Эти исследования можно производить лишь во время немногих затмений, когда Солнце находится вблизи достаточного количества сравнительно ярких звезд. После фотографирования затмения нужно подождать несколько месяцев, пока Солнце не уйдет из этой области неба. Тогда снова фотографируют ту же область, но уже ночью, и сравнивают положения звезд на обеих пластинках.
Измерение пластинок занимает месяцы, а иногда и годы упорной работы. Как правило, необходимо вносить поправки, учи
- 243 -
16
тывающие время, протекшее между моментами получения обеих фотографий. Это еще более осложняет задачу. Только после учета всех поправок, наконец, удается определить отклонение. Программа таких исследований настолько трудна, что удачных наблюдений было очень мало и результаты их несколько противоречивы.
Рис. 165. Пластинка, снятая для обнаружения эффекта Эйнштейна; затмение 1922 г. Кружками обозначены положения звезд, измеренных для рпределения эйнштейновского отклонения. (Ликская обсерватория.)
Данные, полученные Кемпбеллом и Трумплером в Австралии в 1922 г., хорошо согласуются со значениями, предсказанными Эйнштейном. Ван Бисбрук получил 2,01 секунды и 1,70 секунды дуги соответственно во время затмений 1947 и 1952 гг. Однако он предостерегает, что последнее значение ненадежно, так как сильный ветер вызывал колебания его инструмента во время затмения. Фрейндлих получил в 1929 г. значение больше 2 секунд дуги. А. А. Михайлов (Пулково) поданным затмения 1936 г. определил
- 244 —
смещение в 2,70 секунды дуги. Среднее из всех этих измерений-значительно больше значения, предсказанного Эйнштейном. Отсюда ясна необходимость дальнейших наблюдений.
Рис. 166. Джордж ван Бисбрук из Йеркской обсерватории у камеры Эйнштейна 20 мая 1947 г. (Национальное географическое общество.)
Три астрономические проверки теории Эйнштейна: отклонение света в гравитационном поле, ничтожные смещения линий солнечного спектра и медленное движение перигелия орбиты Меркурия, находятся в хорошем согласии с предсказаниями, так что можно утверждать, что эксперимент подтверждает теорию Эйнштейна.
Вулкан — планета внутри орбиты Меркурия
Во время солнечных затмений предпринимались исследования и другого рода, хотя и редко повторяемые в настоящее время. Производились поиски планеты, расположенной к Солнцу ближе, чемМеркурий. Такая планета была бы настолько близка к Солнцу, что едва ли можно было надеяться наблюдать ее на ярком фоне сумеречного неба. Можно было бы ожидать увидеть эту гипотетическую планету только в виде черной точки на солнечном диске или звезды во время полной фазы затмения.
- 245 -
Предположение о возможном существовании планеты внутри орбиты Меркурия впервые возникло в 1859 г., когда французский астроном-любитель д-р Лескарбо, физик, живший в Оржере, обнаружил черное пятно, быстро движущееся по солнечному диску. С тех пор, несмотря на многочисленные попытки, никому
Рис. 167. «Батарея» камер для обнаружения планеты Вулкан внутри орбиты Меркурия. (Ликская обсерватория.)
больше не удалось его увидеть. Этот объект обычно называют Вулканом. Ни одна из неоднократных попыток пронаблюдать его не увенчалась успехом. Сейчас большинство астрономов считают, что а) объект, наблюдавшийся Лескарбо, не был планетой внутри орбиты Меркурия и б) если такая планета и существует, ее размеры должны быть чрезвычайно малыми.
Затмения и жизнь животных
Другой интересный аспект затмений — их влияние на живот-ных и насекомых. Многое сообщалось о реакции животных на затмение; однако затмение 1932 г. было первым, когда ученые провели определенное согласованное изучение поведения животных во время затмения. В появлявшихся раньше отдельных сообще
— 246 —
ниях указывалось, что птицы и животные как бы пугались надвигавшейся тени. Однако не упоминалось ни о том, какие виды животных имелись в виду, ни о контроле их обычного поведения. Если, например, голубая цапля улетела во время полной фазы затмения, то где доказательство того, что не будь затмения, она не улетела бы?
Сводные результаты, полученные во время затмения 1932 г., показали, что большинство птиц и животных, по-видимому, воспринимают наступление темноты либо как наступление ночи, либо как начало грозы. Чуть ли не с самой древности считалось фактом, что куры во время затмения усаживаются на насест. Конечно, куры отправляются в курятник, но никто до 1932 г. не пытался изучить этот вопрос серьезно. Проверка во время этого затмения показала, что большая часть птиц толпилась на полу загона и только меньшинство садилось на насест. Многие даже совсем не пошли в курятник.
Анекдотический случай относится к затмению 28 мая 1900 г., полоса полной фазы которого проходила через штат Джорджия. Один тамошний почтальон, который разносил письма астрономам, больше всего был поражен, узнав о предположении, что куры пойдут во время затмения в курятник. Полная фаза затмения застала его на птичьем дворе. После затмения, торопясь дать отчет, он сказал начальнику экспедиции Ликской обсерватории: «Босс Кемпбелл, куры сели на насест, точно так, как вы сказали». А затем, как бы высказывая только что осенившую его мысль, спросил: «Сколько времени вы уже знаете, что куры сядут на насест?» Д-р Кемпбелл ответил: «О, по меньшей мере года два, а то и три». Почтальон уставился на него недоверчиво, потом засмеялся: «Идите, босс! Не заливайте пушку! Этих кур до прошлой весны и на свете-то не было!».
Наблюдения показали, что многие домашние животные не обращают решительно никакого внимания на затмения. Необычное состояние ожидания и возбуждения хозяев, возможно, полностью объясняет беспокойство, наблюдаемое у собак. Единственный достоверный случай явного страха наблюдался у кошки, которая вскарабкалась на столб и выла в течение всей полной фазы, прямо глядя на затемненное Солнце.
Из всех живых существ больше всего на затмения реагируют насекомые. Летающие муравьи роем поднимаются с земли в свадебные полеты, что скорее является следствием понижения температуры, чем ослабления солнечного света. Пчелы возвращаются в улей и редко отваживаются вылететь снова, даже после конца затмения. Был случай, когда пчелы с внезапным приливом энергии выгнали из улья трутней, что обычно бывает в более позднюю пору года, но совершенно беспрецедентно так рано (31 августа!). Наблюдатель этого явления высказывает с некоторыми
- 247 -
оговорками гипотезу, согласно которой пчелы по внезапному наступлению темноты в 3 часа 15 минут пополудни ошибочно заключили, что короткие зимние дни уже не за горами, и перешли к соответствующим действиям.
Экспедиции по наблюдению затмений
Подготовка экспедиции требует огромной работы. Здесь и вопросы точного вычисления полосы затмения, изучение сводок погоды, выбор места наблюдения, вопросы транспортировки и обеспечения необходимыми средствами обслуживания, как электроэнергия или вода. Далее идет составление программы наблюдений и конструирование соответствующих инструментов. Чем неприступнее место (создается впечатление, что затмения упорно выбирают наиболее пустынные области), тем более необходимо застраховать себя от всяких возможных случайностей.
Подготовка экспедиции для наблюдения затмения занимает месяцы напряженной работы. Конечно, многие ученые желают только увидеть явление и просто едут с небольшой фотокамерой для фотографирования короны. Но полностью снаряженная экспедиция для спектральных, радио- и многих других исследований должна везти с собой от 10 до 20 тонн всевозможного оборудования. Все оно должно монтироваться, часто при неблагоприятных климатических условиях, с абсолютно непоколебимой и упорной целью — наблюдать затмение.
Напряженность работы, неизбежные. препятствия и тревога по поводу возможной непогоды усложняют задачу. В момент полной фазы астроном часто настолько занят, что хорошо, если он может урвать каких-нибудь две свободные секунды, чтобы мельком взглянуть на корону. Затем идут часы или целые дни на проявление и стандартизацию фотографических снимков. После деятельной упаковки и быстрого возвращения домой наступает реакция. А если погода во время затмения была облачная, месяцы усилий оказываются потерянными. В плохую погоду может быть выполнена только та часть программы, которая касается исследования радиоволн, свободно проникающих сквозь облака.
Хотя для некоторых наблюдений и можно использовать самолет, громоздкость и большой вес важнейших чувствительных инструментов не позволяют пользоваться ими в воздухе. Такие приборы должны быть ориентированы с большой точностью и очень чувствительны ко всяким вибрациям. Тем не менее подготовленный самолет — хорошая страховка против полного провала из-за плохой погоды, хотя результаты, получаемые таким путем, обычно далеко не так ценны, как добытые с помощью инструментов, установленных на земле.
11
Атомная энергия и недра Солнца
Нашу ближайшую задачу можно назвать астрофизической разведкой. Мы должны исследовать то, что находится под светящейся поверхностью Солнца. Решение этой задачи не столь безнадежно трудно, как это может представиться с первого взгляда. К этому у нас уже есть не один ключ. Как упоминалось в гл. 1, массу Солнца можно определить по силе притяжения. Известно также количество и качество солнечного излучения. Известны радиус и характерные особенности поверхности Солнца, включая скорость его вращения. Орудием нашей разведки служат законы математики и физики, которые считаются применимыми всюду во вселенной. Посмотрим, что можно извлечь из всех имеющихся в нашем распоряжении данных.
Проблема солнечной энергии
Общая отдача тепла Солнцем составляет около 3-1033 калорий в год, а его масса равна 2-1033 г. Таким образом, средний годовой выход энергии 3 калории на каждые 2 г
- 249 -
или 1,5 калории на 1 г. Это число не представляется слишком большим. Но если учесть что Солнце существует больше миллиарда (109) лет и за этот промежуток времени ни излучение света и тепла, ни масса Солнца, по-видимому, существенно не изменились, то общий выход энергии на каждый грамм составит более 109 калорий, что представляется огромной величиной. Один грамм самого чистого угля и кислорода, смешанных в соответствующей пропорции, необходимой для полного сгорания, выделяет лишь 2200 калорий. Следовательно, если бы Солнце состояло из кислорода и углерода, оно могло бы просуществовать всего-навсего около 1500 лет.
Уже давно астрономы поняли, что возможности химических источников энергии весьма ограничены, и стали искать другие. Высказывалось предположение, что таким источником могут быть метеоры. Однако вычисления показали, что метеорный источник энергии крайне недостаточен.
В течение многих лет большинство ученых разделяли предположение Гельмгольца, что состояние Солнца поддерживается медленным сжатием. Сжатие автоматически нагревает газ, тогда как расширение охлаждает его. Предположим, что Солнце когда-то было по меньшей мере размером во всю солнечную систему. Так как сила тяготения стремилась сблизить атомы, вещество постепенно сжималось и нагревалось. Гельмгольц показал, что максимальный возраст Солнца согласно этой гипотезе не больше 50 миллионов лет. Он как бы строго «запретил» геологам обосновывать больший возраст Земли. Но последние «выкопали» неоспоримые доказательства гораздо большего возраста Земли. Согласно новейшим данным, основанным на определении возраста старейших земных горных пород, это значение составляет 4,5 миллиарда лет.
Столкнувшись с этой трудностью, астрономы были вынуждены принять гипотезу, казавшуюся единственно возможной: в энергию переходит вещество. Эта идея зародилась гораздо раньше работ Эйнштейна и атомной бомбы. Исаак Ньютон однажды размышлял о возможности превращения «тел в свет и света в тела».
Эйнштейн нашел количественное обоснование этого процесса, выведя свое знаменитое уравнение
Е = тс2, где Е — энергия в эргах, эквивалентная массе т в граммах, ас — скорость света, 3-1010 см,!сек, (Эрг — используемая в физике
1 Автор, следуя установившейся на Западе традиции, неправильно говорит о превращении вещества в энергию. На самом деле во всех рассматриваемых им случаях имеет место превращение одного вида материи (вещества) в другой вид материи (поле), при котором и масса и энергия сохраняются. (Прим, перев.)
- 250 -
единица энергии. Она мала. Карандаш, падая с письменного стола на пол, приобретает энергию в несколько миллионов эрг — почти одну калорию.) Перепишем уравнение, выразив Е в калориях. Тогда
£ = 2,15-1013 т калорий.
Один грамм воды, полностью перешедший в энергию, выделяет 2-1013 калорий, т. е. столько же, сколько 20 000 тонн угля. Здесь, действительно, скрыт обильный источник энергии, если только Солнце способно использовать его или контролировать. Он смог бы поддержать жизнь Солнца в течение 10 миллионов миллионов (1013) лет. Конечно, не в нашей власти полностью «уничтожить» вещество. Но если бы мы могли только хотя часть его превратить в энергию, мы далеко ушли бы вперед от использования химической энергии (т. е. горения).
Пока открыто два способа получения этой энергии из вещества: расщепление тяжелых атомов или синтез легких. О первом из этих двух процессов кое-что известно еще с 1895 г., когда Беккерель обнаружил, что соединения урана испускают лучи, способные проходить сквозь бумагу или тонкие листки металла. Сам уран был известен уже с 1789 г.
Это новое свойство, называемое радиоактивностью, зажгло воображение Пьера и Марии Кюри. Мария Кюри открыла, что другой известный элемент, торий, обладает подобными же свойствами. В июле 1898 г. она открыла полоний (названный так по имени ее родной Польши). Совместно с мужем спустя пять месяцев ей удалось выделить радий. Это все тяжелые и по своей природе неустойчивые элементы, расположенные в конце таблицы Менделеева.
Радиоактивный элемент может испускать альфа-частицы (ядра атомов гелия) или бета-частицы (электроны). Первые заряжены положительно, последние — отрицательно. Атом также может испустить гамма-луч, подобный рентгеновскому и обладающий ничтожно малой длиной волны. Процесс естественного радиоактивного распада нельзя ни ускорить, ни замедлить,,
Строение атомного ядра
В гл. 3 много говорилось об атомах. Но там нас интересовала их внешняя структура, образуемая отрицательными электронами. Ядро, обладающее положительным зарядом и большей частью всей массы, рассматривалось только как сердцевина, удерживающая атом. Теперь рассмотрим структуру самих ядер.
Как ни кажется ничтожным атом (около ’ 10"8 сантиметров в диаметре), атомное ядро значительно меньше (около 10“12 сан
- 251 -
тиметров в поперечнике). Если представить, что маленькая пепельница на письменном столе изображает ядро атома, то детские шарики, летающие на расстоянии больше километра, будут соответствовать электронам. Большей частью атом — пустое пространство. Если бы можно было разнять атомы на части с помощью сверхмикроскопических щипчиков, как биолог расчленяет червя, и сложить кусочки в одну кучу, то сложенное таким образом вещество Нью-Йоркского небоскреба Эмпайер Стейт Билдинг заняло бы объем обычной булавочной головки! И только таинственные силы электрического притяжения и отталкивания удерживают вселенную от подобного внезапного сжатия.
Существуют своего рода «строительные блоки», пригодные для постройки ядра; они перечислены в табл. 6.
Таблица. 6
Частицы, из которых состоят атомные ядра
Наименование	Заряд	Масса (в а)
Электрон 		Отрицательный	9,1083-IO”2»
Позитрон 		Положительный	9,1083-10"28
Протон 		»	1,6724-1О’24
Антипротон ....	Отрицательный	1,6724-1О’24
Нейтрон 		Нулевой	1,6747-10"24
Дейтрон 		Положительный	3,3429-10'24
Альфа-частица . . .	»	6,6430-10'24
Помимо этих частиц имеются также таинственные заряженные мезоны, более тяжелые, чем электроны, и более легкие, чем протоны. Недолго живущие мезоны представляются «связками» энергии. Хотя мезоны чаще всего возникают под действием космических лучей, их можно также получить в лаборатории.
Интересно обратить внимание на удивительную асимметрию данных табл. 6. Ни один философ не смог бы вывести ее из метафизических соображений. Хотя электрон и позитрон как бы взаимно дополняют друг друга, позитрону свойственна неустойчивость. Продолжительность его жизни необычайно мала. В своем стремительном движении в пространстве он проникает в ядро первого встречного атома. Там он объединяется с нейтроном, чтобы образовать протон.
Тогда происходит следующая реакция:
нейтрон+позитрон = протону или обратная:
протон—позитрон=нейтрону.
- 252 —
Это последнее равенство говорит о том, что протоны являются первичным источником позитронов. Известно также, что существуют еще две реакции
протон+электрон=нейтрон и
нейтрон—электрон = протон.
Если позитрон и электрон сталкиваются, то они, как говорят, аннигилируют друг с другом, испуская два кванта гамма-лучей, уносящих высвободившуюся энергию и момент количества движения.
Недавно обнаружилось существование отрицательно заряженного протона — антипротона. Такая частица может захватить движущийся позитрон и образовать атом водорода, составные части которого заряжены противоположно обычному.
Нет оснований отрицать, что где-то существуют более тяжелые атомы, целиком состоящие из антивещества. Но так устроенная вселенная будет крайне неустойчива, если встретится с другим образованием из обычного вещества.
Из табл. 6 может показаться, что тяжелые ядра состоят из большого чирла элементарных частиц. Однако ясно, что на самом деле существует только две частицы — протон и нейтрон. Дейтроны и альфа-частицы сами являются атомными ядрами, состоящими из этих основных частиц.
Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона. Поэтому, как и протон, он обладает одним положительным зарядом. Следовательно, он может удержать только один электрон на единственном из возможных внешних уровней. Когда дейтрон захватывает электрон, образуется нейтральный атом, очень похожий на водород и также имеющий единственный внешний электрон. Химические свойства определяются электронами самой внешней оболочки. Поэтому с точки зрения химии оба атома являются водородом. Вдвое более тяжелый атом, называемый дейтерием или тяжелым водородом,— изотоп обычного водорода. Изотоп — это атом, химически эквивалентный другому и отличающийся только массой ядра.
Можно также получить изотоп водорода с массовым числом, равным трем. Такое атомное ядро (нуклон), состоящее из одного протона и двух нейтронов, называется тритием. Можно думать, что в результате прибавления различного числа нейтронов получатся изотопы водорода с массами, равными четырем, пяти, шести и так далее. Однако это не так, и даже изотоп с весом 3 несколько неустойчив и примерно через 12 лет, испуская электрон, распадается и превращается в редкий изотоп гелия с весом 3. Ядро наиболее распространенного изотопа гелия с весом 4 — альфа-частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов. Посколь
— 253 -
ку массы протонов и нейтронов почти одинаковы, ядро гелия вчетверо тяжелее протона. Гелий 5 настолько неустойчив, что едва ли можно быть уверенным в его существовании. Наиболее устойчивые изотопы легких атомов состоят из примерно равного количества протонов и нейтронов. В ядрах более тяжелых атомов нейтроны постепенно начинают преобладать.
В настоящее время силы, удерживающие частицы в ядре, еще недостаточно известны. Таинственные мезоны, возможно, играют существенную роль, почему их иногда называют «атомным клеем»» Протоны обладают одинаковыми (положительными) зарядами и потому сильно отталкиваются друг от друга. Но в присутствии нейтронов и мезонов отталкивание близко расположенных в ядре протонов таинственным образом превращается в сцепление. Представим себе, что у ядра имеется ободок, подобный ободку пепельницы, разделяющему ее на внутреннюю вогнутую часть и примерно такого же размера внешнюю, образующую скат. Если положить шарик внутрь ободка, то он останется в пепельнице, а с внешней части он скатится на стол.
Продолжим несколько эту аналогию. Попытаемся построить тяжелое ядро, вкатывая шарики по внешней стороне пепельницы во внутреннюю. Если вкатывать шарик слишком медленно, он где-то остановится и покатится обратно. Если кинуть его слишком резко, он перекатится и выйдет с другой стороны. Только при вполне определенной начальной энергии он останется внутри.
Благодаря трению опыт с пепельницей выполнить легче, чем осуществить его с настоящим атомным ядром. Без трения никогда не удалось бы заставить шарик остаться в пустой пепельнице. Иное дело, если он при этом столкнется с другим шариком, уже находящимся в пепельнице, так как в этом случае его энергия разделится, и даже при отсутствии трения оба шарика могут остаться внутри.
В одном отношении аналогия совершенно отсутствует. Покатый край «стенки», окружающей атомное ядро, иногда проницаем. Частица, энергия которой недостаточна, чтобы «перепрыгнуть» стенку, может «вкатиться» почти до ее верха, а затем — раз! и она как по волшебству, сквозь невидимый туннель в стене, проникает в ядро.
Когда ядро захватывает быструю частицу, отскакивающие от нее возбужденные нейтроны и протоны могут различными способами отдать избыток энергии своего движения. Ядро может излучить гамма-квант еще более энергичный, чем рентгеновские лучи, или один из протонов может испустить позитрон и превратиться в нейтрон. Эта положительно заряженная частица также уносит с собою энергию. В каждом из этих случаев образуется устойчивое ядро.
- 254 -
Современная алхимия
Хорошо известные «атомные пушки» физиков — это устройства для обстреливания различных нуклонов протонами, нейтронами или другими ядерными «снарядами». Современные физики достигли цели прежних алхимиков превращать один элемент в другой.
Рис. 168. Общий вид электростатического ускорителя, используемого для изучения ядерных реакций, представляющих интерес для астрофизики.(Лаборатория Келлога при Калифорнийском технологическом институте.)
На некоторых этапах ядерного превращения может выделяться определенная энергия. Выше говорилось, что ядро гелия в четыре раза тяжелее протона. Но это не совсем точно. Если взять 1,0078 г водорода и весь его превратить в гелий, то в результате получится только 1,0000 г гелия. Остальные 0,0078 г (т. е. немного меньше одного процента) перешли в энергию. Согласно уравнению Эйнштейна выделяется энергия, соответствующая 0,0078 г массы, равная 1,7-1011 калорий. Это количество тепла в 5 000 000
— 255 —
раз больше того, что выделяется при сгорании 1 г водорода в присутствии 8 г кислорода.
Имеется несколько-способов превращения водорода в гелий. Простейший и наиболее эффективный был предложен Г. Бете. В этом процессе важную роль играет ядро обычного углерода, состоящее из шести протонов и шести нейтронов. На некотором этапе оно захватывает протоны и превращается в различные элементы. После присоединения четвертого протона выделяется ядро гелия, а углерод, принимая свой первоначальный вид, готов снова вступить в реакцию. Здесь углерод играет роль катализатора обычных химических реакций.
В табл. 7 приведены различные ступени этого так называемого углеродного цикла. Первая — совсем простая. После прибавления одного протона число этих частиц в ядре углерода увеличивается до семи. Всякий атом с семью положительными зарядами,
Таблица 7
Отдельные этапы углеродного цикла превращения водорода в гелий
Этап	Исходное вещество			Характер реакции	Результат реакции		
	элемент	число протонов	число нейтронов		элемент	число протонов	число нейтронов
1	С	6	6	Прибавление протона	N	7	6
2	N	7	6	Испускание позитрона	С	6	7
3	С	6	7	Прибавление протона	N	7	7
4	N	7	7	» »	О	8	7
5	О	8	7	Испускание позитрона	N	7	8
6	N	7	8	Прибавление протона {	С Не	6 2	6 2
вне зависимости от количества нейтронов, является азотом. Но образовавшийся таким путем азот неустойчив: один из протонов испускает позитрон и превращается в нейтрон. Цикл продолжается до тех пор, пока не получится первоначальный атом углерода и атом гелия. Избыток массы переходит в энергию отчасти путем испускания позитронов, а остальное в виде гамма-излучения.
Непосредственное соединение двух протонов с испусканием одного позитрона и образованием дейтрона составляет основу другого значительно более простого процесса выделения атомной энергии. В результате этой реакции путем, указанным в табл. 8, также могут образовываться ядра гелия. Этот термоядерный процесс осуществлен в водородной бомбе; в настоящее время он изучается в лабораториях для применения в мирных целях.
Какой из этих двух процессов — углеродный цикл или протон — протонная реакция — преобладает в данной звезде, зависит от ее внутренней температуры. Для первого процесса необхо-
- 256 —
Таблица 8
Термоядерный процесс непосредственного превращения водорода в гелий
Этап	Исходное вещество			.Характер реакции	Результат реакции		
	эле- мент	число протонов	число нейтронов		элемент	число про- тонов	число ней- тронов
1 2 i	1 Н Н	1 1		Прибавление протона Испускание позитрона Прибавление протона	н Не	1 2	1 1
i 3	Не	2	( 1 < 1	Соединение с другим ( атомом Не3 Испускание двух про- 1 тонов	Не 2Н	2 1	2 0
дима более высокая температура, к небольшим изменениям которой он гораздо чувствительнее. В настоящее время полагают, что большая часть энергии Солнца выделяется в результате протон — протонной реакции.
Большое обилие водорода в звездах приводит к тому, что этот элемент оказывается чрезвычайно важным для выделения энергии. Если бы Солнце почти целиком состояло из водорода, то при современной скорости выделения энергии его максимальный возраст составлял бы около 1011 лет. Таким образом, время жизни нашей звезды достаточно велико. Светимость звезд-гигантов, таких как Капелла, по-видимому, соответствует возрасту всей звездной системы1). Однако в сверхгигантах, подобных Ригелю или Денебу, весь водород превращается в гелий за несколько миллионов лет. Таким образом, мы должны сделать вывод, что некоторые звезды могли образоваться недавно и даже, что процесс «рождения» звезд все еще продолжается.
Спицер, Уиппл и Бок высказали гипотезу о том, что маленькие темные глобулы, наблюдаемые в виде едва заметных темных образований на светлом фоне ярких туманностей, являются еще не родившимися звездами. Давление лучей света сжимает газ, придавая ему вид сферы, уменьшающейся до тех пор, пока гравитация не усилится настолько, что не завершит это сжатие. Весь этот процесс конденсации происходит так медленно, что едва ли мы можем надеяться его заметить для отдельной звезды даже в течение всей истории человечества.
Углеродный цикл и протон—протонная реакция являются процессами построения атомов. Они говорят о возможности всеобщей эволюции элементов. В самом деле, специалисты по строению атомов в последнее время развили теории, объясняющие обра-
т) По мере эволюции звезды ее светимость определенным образом меняется. (Прим, перев.)
17 Наше Солнце
зование атомов тяжелее гелия. Для соответствующих реакций необходимы чрезвычайно высокие температуры и плотности.Когда Эддингтон впервые высказал предположение, что подобные условия могут существовать в недрах звезд, Джинс резонно возразил, что звезды не настолько горячи. Ответ Эддингтона в настоящее время считается классическим: он предложил Джинсу «поискать более горячее место». Если рассматривать среднюю звезду, то кажется, что справедливость на стороне Джинса. Однако недавно выполненные расчеты показывают, что *когда в звезде «выгорает» весь водород, превращаясь в гелий, она должна сжаться и стать горячее внутри. В конце концов ее температура должна увеличиться (примерно до 100 миллионов градусов), что достаточно для того, чтобы началось превращение гелия в более сложные ядра углерода, кислорода и неона. Когда гелий исчерпан, температура снова возрастает, и наступает ряд других ядерных реакций синтеза остальных элементов.
Ядер ное деление
Радиоактивные атомы обладают неустойчивостью двух типов. Уже упоминалось об альфа-, бета- и гамма-распадах. Также может иметь место атомное деление, вызванное попаданием нейтрона в ядро, находящееся на грани устойчивости.
В природе имеются две важнейшие разновидности атомов урана. У каждого из них 92 протона. Чаще встречающийся изотоп имеет 146нейтронов; таким образом, его массовое число равно 238. Более редкий изотоп обладает 143 нейтронами, так что его атомный вес равен 235. Эти изотопы соответственно называются U238 и U235.
Когда нейтрон ударяется о ядро U 235, может произойти одно из двух: нейтрон либо может «застрять», образовав новый изотоп, либо вызвать деление ядра на две неравные части. В результате последнего процесса выделяется огромная энергия. Помимо этого, каждое деление приводит к образованию нескольких новых нейтронов, которые в свою очередь могут вызвать деление других атомов. Поэтому, если деление началось в куске чистого U 235 достаточно большой массы, чтобы испускаемые нейтроны не смогли его покинуть, эти нейтроны в свою очередь вызовут новые деления, и возникнет цепная реакция. Если количество освобождающихся нейтронов не регулируется и неограниченно увеличивается, то быстрое выделение энергии приведет к взрыву всей массы. Расчет показывает, что даже если реакция эффективна только на несколько процентов, каждый килограмм U 235 в бомбе эквивалентен 300 тоннам тринитротолуола.
Опыты показали, что для деления U 235 медленные нейтроны эффективнее быстрых. С другой стороны, U 238 активно поглощает медленные нейтроны, образуя атомы U 239. Это ядро неустойчиво..
- 258 —
Два его нейтрона один за другим быстро излучают электроны, в результате чего образуются нептуний (Np) и плутоний (Ри) — новые химические элементы периодической таблицы с атомными весами 93 и 94. Затем плутоний ведет себя подобно U 235, распадаясь при поглощении медленного нейтрона. Из двух изотопов урана только U 235 легко поддается расщеплению. Отделение U 235 от U 238 — трудный процесс: оба атома химически одинаковы, так что методы разделения должны основываться на небольшом различии в массах. Кроме того, U 235 значительно менее обилен, чем более тяжелый изотоп. Природный уран содержит на каждые 140 атомов U 238 один атом U 235. Однако плутоний уже другой элемент, и его выделение из урана сравнительно легче можно выполнить химическим методом.
Вместо того чтобы иметь дело непосредственно с U 235, специалисты поступают следующим образом. Прежде всего они получают чистый уран, состоящий из смеси обоих изотопов. Куски этого металла, как изюминки в пирог, погружаются в толстый слой чистого углерода, который должен замедлять испускаемые нейтроны, так как нейтроны, возникающие в результате деления, обладают слишком большими скоростями, чтобы этот процесс мог эффективно продолжаться. Самопроизвольное деление атомов U 235 приводит к образованию нейтронов. Некоторые из них поглощаются ядрами U 238 и образуют плутоний. Остальные стал-^ киваются с другими ядрами U 235 и таким образом поддерживают течение цепной реакции. Через некоторое время толстые металлические стенки убираются, и образовавшийся плутоний извлекается химическими методами.
В небольших вполне определенных количествах расщепляющееся вещество U 235 или Ри не может привести к самопроизвольному взрыву. «Опасные» частицы, а именно нейтроны, полностью покидают вещество и не захватываются. Но если соединить две или несколько небольших масс и образовать большой кусок, который будет удерживать нейтроны расщепляющихся атомов, то произойдет то, что случилось в Хиросиме.
В результате атомного деления плутония и урана 235 выделяются большие количества энергии. Однако в обычных звездах процессы расщепления атомов, по-видимому, менее вероятны, чем построение новых атомов. Расщепление представляет особый интерес, так как оно является безусловным подтверждением основной гипотезы о переходе вещества в энергию.
Внутреннее строение Солнца
Выше отмечалось, что температура внутри Солнца достаточна для протон—протонной реакции. Но как установлено наличие там такой высокой температуры? Прежде всего известно, что
- 259 -
17*
Рис. 169. Артур Эддингтон, пионер исследования звездных недр. (Кларк, Кембридж, Англия.)
плотность внутри звезды выше, чем снаружи. Из большого числа матрацев, положенных друг на друга, нижние окажутся сжатыми сильнее, чем верхние. Так же точно внешние слои звезды стремятся сжать внутренние.
В то время как давление стремится сжать, высокая температура старается расширить газ. В результате, плотность в каждой точке звезды зависит от величины этих противоположно действующих сил. Условия внутри звезд известны благодаря трудам ' многих исследователей: Лейна, Эмдена, Эддингтона, Джинса, Милна, Рессела, Чандрасекара, Шварцшильда и многих других. Хотя подробности их расчетов слишком специальны, чтобы о них говорить здесь, можно проследить общий ход рассуждений. Начнем с поверхности Солнца, где температура и плотность известны. Выберем вторую точку чуть глубже, под поверхностью, и припишем ей некоторое произвольное значение температуры. Тогда сразу определится плотность, потому что вес и давление вышележащих слоев можно вычислить. Затем можно взять третью точку и снова приписать ей какую-нибудь температуру и вычислить плотность. Так можно продолжать и дальше вплоть до центра. К концу подобного расчета мы имеем два контроля. Полная масса всех слоев должна совпадать с наблюдаемой массой Солнца, а средняя плотность, также в соответствии с измерениями, равняться 1,4.
На самом деле процедура не так сильно зависит от произвольного выбора. Действительно, если следовать в точности сказанному, можно получить не одно, а много распределений температуры, удовлетворяющих задаче. Однако большая часть энергии, по-видимому, образуется во внутреннем ядре звезды, поэтому полное количество тепла, проходящего через сферическую поверхность с центром в центре Солнца, должно быть постоянно и равняться наблюдаемому количеству энергии, излучающемуся с поверхности. На этом основываются дальнейшие расчеты.
- 260 -
Непрозрачность газовых слоев определяет скорость потока энергии. Это свойство не пропускать излучение зависит как от плотности, так и от температуры газа. Необходимость учесть это позволяет найти единственное решение. Последние расчеты Шварцшильда (1957 г.) показывают, что в центре Солнца температура порядка 15 000 000° С, а плотность в 130 раз больше плотности воды.
Современные расчеты позволяют учесть изменение среднего молекулярного веса с глубиной. Если бы Солнце состояло исключительно из ионизованного водорода, то на каждый атом приходилась бы одна единица молекулярного веса, а на каждый электрон практически нуль. Тогда в среднем на каждую частицу пришлась бы г/2 молекулярного веса. Окончательный расчет температуры затрудняется отсутствием точных данных о действительном химическом составе внутренних слоев.
Обычно предполагается, что в глубоких слоях содержится относительно больше тяжелых элементов, чем в рассматривавшихся выше внешних слоях. Относительное содержание тяжелых элементов, которое впервые Рессел определил для атмосферы Солнца, называется ресселовой смесью. К этим основным ингредиентам добавляют различные количества водорода и гелия до тех пор, пока не получится смесь, непрозрачность которой согласуется с наблюдениями.
Во многих вычислениях учитывается определенная роль гравитационного разделения элементов. Часть более легкого водорода поднимается вверх. Далее расчеты показывают, что конвекция, т. е. вертикальное перемешивание газов, стремится противостоять дальнейшему разделению элементов. Если бы этого не было, слой водорода был бы тоньше 1000 км. Тяжелые металлы, даже уран, составляли бы большую часть Солнца. Вот почему Эддингтон в своих первых расчетах предполагал, что Солнце и звезды состоят главным образом из железа. Однако затем он нашел, что при этом невозможно согласовать наблюдаемую и вычисленную непрозрачность вещества, переносящего тепло.
Не стоит подробно рассматривать справедливость современных предположений о химическом составе и конвекции. Протуберанцы являются доказательством существования вертикального перемешивания на поверхности. Унзольд показал, что под поверхностью, где происходит ионизация атомов водорода, вещество должно находиться в турбулентном состоянии. Об этом говорилось раньше в связи с грануляцией и спикулами. Если бы, как раньше предполагалось, выделение солнечной энергии происходило за счет углеродного цикла, то из расчетов следует, что центральные части ядра Солнца должны находиться в состоянии сильной конвекции. Сейчас известно, что основную роль играет протон—протонная реакция; поэтому конвекция в ядре очень слаба.
- 261
Б. Д. Б о к и П. Ф. Б о к, Млечный Путь1).) Все же здесь мы рассмотрим некоторые характеристики отдельных звезд. До ближайших звезд можно непосредственно измерить расстояние. У них заметно небольшое смещение вследствие движения Земли вокруг Солнца. Если закрыть один глаз и покачать головой, видно, что ближайшие предметы как бы смещаются по отношению к более далеким. Величина этого смещения определяет расстояние, на чем основан метод параллаксов, подробно разбиравшийся в гл. 1. Там за базис принималось расстояние, измеренное на Земле. Здесь же ввиду большой удаленности звезд нужно взять как можно более длинный базис, почему и пользуются диаметром земной орбиты. Астрономами также разработан целый ряд косвенных способов определения расстояний до звезд, но о них мы не будем говорить.
Блеск любой звезды зависит от ее действительной светимости или силы света в свечах и от расстояния до нее. Поэтому, зная расстояние и блеск, легко можно вычислить действительную светимость звезды. Результаты исследований показывают, что имеется большое разнообразие действительных светимостей отдельных звезд. Наше Солнце обладает примерно средней светимостью; очень немногие из известных нам звезд в 10 000 раз ярче или в 10 000 раз слабее его. Другая легко поддающаяся измерению характеристика звезды — ее спектр. Спектральные типы звезд настолько разнообразны, что раньше астрономам было очень трудно их классифицировать. У некоторых звезд, как и у нашего Солнца, в спектрах преобладают линии металлов. У других, например, у Сириуса,—линии водорода. У иных, как Антарес и Бетельгейзе,— полосатые молекулярные спектры.
Первоначально астрономы приписывали многообразие спектров различию химического состава звезд; позднее они обнаружили, что спектрами определенного типа всегда обладают звезды данного цвета. Далее было обнаружено наличие звезд переходного типа. Мисс Каннои из обсерватории Гарвардского колледжа предложила вместо первоначальной классификации Секки, состоявшей из четырех типов, более подробную последовательность, а именно:
Класс	U. вет	Главная спектральная характеристика
О	Синий	Водород, ионизованный гелий
в	Голубой	Водород, гелий
А	Белый	Водород, ионизованные металлы
F	Желтоватый	Ионизованные металлы
G	Желтый	Ионизованные и нейтральные металлы
К	Оранжевый	Нейтральные металлы
М	Красный	Молекулы
’) Имеется русский перевод, Физматгиз, 1959. {Прим, переел
- 264 —
Существует еще несколько дополнительных классов: R, N, S и W, но к ним принадлежит так мало звезд, что мы не будем их
рассматривать.
Последовательность цветов одновременно является и последовательностью температур звезд от горячих голубых класса О до «холодных» красных класса М. Эта интерпретация согласуется и со спектрами. Только в атмосферах самых горячих звезд могут быть ионизованы атомы гелия, и только в самых холодных могут образовываться молекулы.
Очень много дает график расположения звезд по их абсолютным величинам и спектральным характеристикам. Он называется диаграммой Герцшпрунга — Рессела в честь одновременного открытия Герцшпрунгом и Ресселом этого соотношения. Большинство звезд на диаграмме Герцшпрунга — Рессела попадает в одну из двух основных групп — главную последовательность и последовательность гигантов (рис. 170).
Главная последовательность — линия, проходящая по диагонали через всю диаграмму. Наше Солнце — звезда класса G; его абсолют-
ВО АО ГО 00 Ы КЭМ ПО
/ Лебедя
-10000 *Ригель Сверхгиганты
• / Кормы
Канопус п
• Полярная * Антарес
• Спика *	--------
-4-1
£
-100
£

-/
£
£
Гиганты \ Капелла Мира / Арктур
\Cupuiic	''—'Субгиганты
< ^Альгаитг?
\ 'ПрОЦуОН*
Вега
Субкарлики \ ебндейиа '^611Шя
'юо
белые
Сириус В карлики
-2
О
<2
*4
*6

в
\ Крюгер 60
+10-
‘ Звезда. г барнарда
Голубой белый Желтый Оран- Красный жедый
Рис. 170. Схематическая диаграмма Герцшпрунга — Рессела. Прерывистые линии грубо определяют области, внутри которых расположено наибольшее количество звезд. Нанесены положения некоторых хорошо известных звезд. (Взято из книги Скиллинга и Ричардсона, Астрономия.)
ная величина равна 5. Пять звездных величин соответствуют изменению светимости в 100 раз. Самые слабые звезды на диаграмме имеют абсолютную величину 13; это означает, что они слабее Солнца примерно в 2000 раз. Чем горячее звезда, тем ярче каждый квадратный километр ее поверхности. Поэтому из двух звезд с одинаковой общей яркостью меньшая—горячее. При переходе вдоль ветви гигантов от звезд класса В к классу М. что соответствует уменьшению температуры, наблюдается увеличение размеров звезд. Гиганты класса М поистине огромны.
- 265
Чтобы излучать такое количество света и тепла, некоторые из этих холодных звезд должны обладать радиусами, превышающими радиус земной орбиты. Если заменить наше Солнце одной из таких звезд, то не только Земля, но иногда и Марс оказывались бы глубоко под ее «поверхностью». Иные условия имеют место для звезд главной последовательности, образующей диагональ, спускающуюся вниз и вправо; красные звезды здесь «холодные» и небольшие, а голубые — горячие и больших размеров.
Своеобразное расположение точек на диаграмме Герцшпрун-га — Рессела весьма интересно. По-видимому, пробелы указывают на своего рода «запретные зоны». Звезда, свойства которой соответствуют положению на таких пробелах, очевидно, должна обладать неустойчивостью, иными словами, в результате ее эволюции она быстро «уходит» в одну из населенных областей на диаграмме.
Причина этого до некоторой степени вскрывается двойными звездами, обращающимися друг относительно друга парами звезд, связанных взаимным притяжением. Массы таких звезд легко определить, применив рассуждение, приведенное в гл. 2 об определении массы Солнца. Оказывается, что вообще говоря, наиболее яркие звезды обладают и наибольшей массой.
Горизонтальная координата диаграммы рис. 170 (спектральный класс) характеризует главным образом температуру на поверхности звезды. Полная энергия, излучаемая звездой и определяемая вертикальной координатой, равна поверхностной яркости, умноженной на величину поверхности. Поскольку температура является мерой поверхностной яркости, легко вычислить размеры звезды. Поэтому из диаграммы Герцшпрунга — Рессела следует, что звезды главной последовательности данной массы должны иметь примерно одинаковые радиусы. Такого простого соотношения для гигантов не наблюдается.
Астрономы пытаются интерпретировать диаграмму Герцшпрунга — Рессела с точки зрения звездной эволюции. В вопросе об эволюции звезд мы находимся в положении, как образно говорил Гершель, человека, который целый день бродит по лесу. Он не видит, как распускается каждый отдельный лист. Но всюду он наблюдает прорастающие семена, молодые деревца, крепкие дубы и гниющие пни. По этим наблюдениям можно составить верную картину истории жизни отдельного дерева. Так и астрономы, наблюдая звезды, находящиеся на различных стадиях развития, пытаются представить себе историюжизни отдельной звезды.
Первоначально предполагалось, что «раздутые» красные гиганты — молодые звезды. При больших массах у них небольшие средние плотности (меньше плотности земной атмосферы). Отсюда естественно заключить, что вследствие сжатия их объем уменьшается, температура увеличивается и происходит смеще-
- 266 —
ние положения этих звезд на диаграмме влево до тех пор, пока из-за слишком большой плотности в центре дальнейшее сжатие станет невозможным. Считалось, что затем эти звезды постепенно «скатываются» вниз вдоль главной последовательности до полного угасания.
В течение многих лет это объяснение казалось правдоподобным, однако количественное исследование условий в недрах звезд и развитие знаний о ядерных реакциях вскрыли ошибочность этих представлений. Во-первых, нельзя было определить, до каких пределов происходит сжатие. Огромные плотности в недрах звезд «раздавливают» атомы, как яичную скорлупу. Обнаружение третьей группы звезд — белых карликов — показало, что в звездах главной последовательности сжатие никак не достигает предела. Первый обнаруженный белый карлик, спутник Сириуса, обладает такой плотностью, что чайная ложка его вещества весит около тонны. В этой звезде атомы известных элементов сплюснуты до неузнаваемости.
Вторая трудность — сравнительно большое время, необходимое для прохождения звездами всех этапов развития, особенно последних стадий пребывания на главной последовательности. Как уже говорилось, изучение радиоактивности, а также общего химического состава метеоритов и земной коры приводит к выводу, что их возраст 4,5 миллиарда лет. Это слишком короткий срок, чтобы только что описанным путем .успел образоваться красный карлик. Разумеется, наша Земля может быть чрезвычайно молодой по сравнению с окружающим ее миром звезд. Однако некоторые другие наблюдения приводят к выводу, что звезды не могут быть значительно старше Земли.
На небе наблюдается множество систем, подобных нашему Млечному Пути. Каждая из этих так называемых внешних галактик состоит из миллиардов звезд и обычно похожа на плоский вращающийся диск. У многих* из них наблюдается спиральная структура. Ближайшая из этих групп находится от нас на расстоянии около 1 000 000 световых лет; самые далекие из. наблюдаемых галактик находятся на расстоянии в тысячу раз большем. Любопытно, что эти галактики, по-видимому, удаляются от нас. В их спектрах наблюдается красное смещение. Чем слабее и дальше от нас объект, тем это смещение больше, а следовательно, и больше скорость его удаления. (См. Харлоу Шэпли, Галактики х).) В последнее время подсчитано, что красное смещение в спектрах самых далеких галактик соответствует скоростям около 120 000 кмIсек или около 2/б скорости света.
Хотя подобная скорость может показаться фантастической и неправдоподобной, однако с точки зрения современной физики
*) Имеется русский перевод, Гостехиздат, 1947. (Прим, перев.) - 267 -
ничем иным это красное смещение объяснить невозможно. Отсюда мы вынуждены заключить, что вселенная расширяется как бы после «взрыва», происшедшего несколько миллиардов лет назад..
Однако в свете теории относительности Эйнштейна это как раз то, чего и следовало ожидать. Согласно этой теории, если проследить назад картину вселенной во времени, оказывается, что раньше вещество было в более сжатом состоянии. Расчеты, произведенные на основании красного смещения, показывают, что
Рис. 171. Спиральная галактика в Большой Медведице. (Ликская обсерватория.)
7—8 тысяч миллионов лет назад вселенная находилась в состоянии наибольшего сжатия, после чего она начала расширяться. В ту пору плотность вещества, по-видимому, превышала плотность свинца в тысячу миллиардов раз (1012). Чайная ложка такого вещества весила бы больше миллиона тонн.
Таким образом, согласно теории Эйнштейна, ни одно из небесных тел не может быть старше 7—8 миллиардов лет1). За такой промежуток времени звезды с массой меньше солнечной,
*) Все эти результаты получены при сильно упрощенных предположениях. Детальный анализ показывает, что в прошлом не обязательно были состояния с такой большой средней плотностью вещества. В этом случае вывод о предельных возрастах тел во вселенной также неверен. (Прим, перев.)
- 268 -
в частности красные карлики, не успеют сильно измениться. Поэтому необходимо отбросить прежнюю гипотезу, согласно которой красные карлики — старые умирающие звезды.
С другой стороны, звезды чуть более массивные, чем Солнце, должны заметно меняться. А звезды с очень большой массой, сверхгиганты подобные Ригелю и Денебу, должны измениться коренным образом и стать неузнаваемыми даже за гораздо более короткое время.
rl I I III I | Г I I I !l I I.
Ь •
fl' t I I I I
»11
:u	iii5' 13
•u	'	ill	i	in
Hl	l	nt Л
in-	in	i	in *
hi	1 * •	1	,mi
и I	111	I	'll*
HI	I I 1	I	111
III	111	till
ИI	I t I	I	in
HI	111	I	II*
Рис. 172. Схематическое изображение красного смещения спектров галактик. Наверху несмещенный спектр сравнивается с лабораторным стандартом (над и под спектром). В спектрах все более удаленных галактик обнаруживается все большее и большее красное смещение (вправо).
Эти, а также ряд иных соображений, о которых мы не будем говорить (см. Бок и Бок, Млечный Путы, или Цецилия П э й н-Гапошкина, Рождение и развитие звездх)), привели А. Сан-диджа, М. Шварцшильда и других ученых к совершенно иному представлению об эволюции звезд на диаграмме Герцшпрунга — Рессела. Конденсируясь из первоначального облака, звезда быстро эволюционирует, что соответствует перемещению по диаграмме Герцшпрунга — Рессела справа налево до положения на главной последовательности. На этой стадии излучается энергия гравитационного сжатия. В какое место главной последовательности попадает таким образом звезда, определяется
т) Русский перевод книги Пэйн-Гапошкиной выпущен Издательством иностранной литературы в 1956 г. (Прим, перев.)
- 269 -
исходной ее массой. Согласно этой новой теории, звезда проводит большую часть своей жизни на главной последовательности. Для звезд с массой, равной или меньшей солнечной, это составляет много миллиардов лет. Однако считается, что подавляющее число красных гигантов уже не молодые звезды, а старые, почти исчерпавшие запасы своего водородного «топлива».
В течение долгого времени красные гиганты оставались загадкой для астрономов. В звездах главной последовательности источниками энергии, по-видимому, являются исключительно протон— протонная реакция и углеродный цикл. При этом первый источник преобладает в Солнце и в звездах, масса которых не больше солнечной, а последний — в более крупных и горячих звездах. Но исследование красных гигантов показывает, что если бы их строение было таким же, как и звезд главной последовательности, то температура в их центре оказалась бы слишком низкой, и никакой ядерной реакции «выгорания» водорода в них не было< бы. Откуда бралась бы тогда их огромная энергия? Только в самое последнее время стало выясняться, что внутренняя структура красных гигантов совершенно отлична от структуры звезд главной последовательности.
В звезде, расположенной на главной последовательности,, водород тем быстрее превращается в гелий, чем ярче звезда. Постепенно водород «выгорает» в ядре звезды, пока оно полностью не окажется состоящим из гелия с незначительной примесью первоначально присутствовавших более тяжелых элементов. Однако вне ядра в звезде содержится все еще значительное количество водорода. Тогда выделение энергии начинает происходить за счет «выгорания» водорода в окружающем гелиевое ядро тонком слое. По мере увеличения этого слоя яркость звезды растет; внешние ее слои растягиваются в разреженную атмосферу, характерную для звезд-гигантов. Увеличиваются как радиус, так и светимость звезды, но соотношение между ними таково, что интенсивность единицы поверхности уменьшается и звезда становится «краснее». Таким путем обычная звезда главной последовательности превращается в красного гиганта, что соответствует движению на диаграмме Герцшпрунга — Рессела вправо и вверх.
Пока водород выгорает в промежуточном слое, гелиевое ядро становится больше и горячее. Когда его температура поднимается выше ста миллионов градусов, гелий начинает превращаться в более тяжелые элементы — углерод, кислород и неон. Звезда становится еще ярче и переходит в стадию красных сверхгигантов. Что с ней происходит дальше, — пока неразрешенная задача астрономии. Отдельные фазы эволюции звезды на этом этапе еще не ясны, однако совершенно очевиден ее конец. Когда звезда использует все источники своей ядерной энергии, она закан
— 270 —
чивает свою жизнь, превращаясь в сверхплотного белого карлика и попадая в левый нижний угол диаграммы Герцшпрунга — Рессела.
Краткое изучение Солнца завело нас очень далеко — от глубочайших недр звезд до наиболее удаленных доступных исследованию пределов вселенной. Это путешествие небесполезно, ибо возвращаясь к Солнцу, мы уже знаем, что оно не единственное в своем роде среди звезд. Существует много звезд с характеристиками, подобными солнечным.
Всякая звезда представляет собою гигантский ядерный реактор — машину для «переработки» вещества в энергию. Ежесекундно около 4 000 000 тонн вещества нашего Солнца переходит в излучение, рассеивающееся в пространстве. По земным масштабам это очень много: такая масса соответствует водоизмещению около 60 гигантских лайнеров типа «Куин Мэри», а выделяющейся энергии могло бы хватить при существующих потребностях для удовлетворения земных нужд в течение 2 000 000 лет.
Многие звезды заметно меняют интенсивность и цвет излучения. Наибольшая изменчивость наблюдается среди звезд последовательности гигантов. Как уже говорилось, наше Солнце отличается необычайным постоянством. Несмотря на периодическое появление пятен, видимое излучение Солнца постоянно с точностью до 2% по крайней мере в течение последних 30 лет, когда ведутся точные измерения. Однако есть все основания полагать, что в далеком ультрафиолете изменения могут достигать нескольких сотен процентов. Но к этому вопросу мы вернемся в гл. 14.
Ледниковие периоды
Неоднократно поднимался вопрос, не могло ли в прошлом Солнце менять свое излучение в более широких пределах? Данные геологии с несомненностью утверждают существование нескольких продолжительных оледенений. С первого взгляда может показаться, что в эти периоды атомный очаг Солнца как бы угасал.
Что касается звезд, весьма немногие из них, подобно R Северной Короны, излучают нерегулярно меняющееся количество энергии. Однако все эти звезды, по-видимому, принадлежат к гигантам, совершенно не похожим на наше Солнце.
Во всяком случае, весьма сомнительно, чтобы ледниковые периоды на Земле вызывались охлаждением Солнца. Обратите внимание на название: «ледниковый период» а не «холодный период». То были периоды, когда огромные ледяные пласты, возможно, до тысячи метров толщиной, покрывали североамериканский материк, доходя на юге доНью Джерси, Огайо, Индианы, Иллинойса
- 271 -
и долины реки Миссури. Медленно двигаясь на юг, огромнейшие массы льда высекли в камне ложа Великих озер, выцарапали глубокие впадины, известные теперь под названием Пальчиковых озер. Когда сухой и теплый период заставил льды отступить, они оставили после себя колоссальные морены.
Г. К. Симпсон первый высказал мысль, что ледниковый период не наступил бы, если бы Солнце стало холоднее. В этом случае уменьшилось бы испарение. Зимы стали бы холоднее, однако снега было бы меньше. Летом тоже было бы меньше тепла, но и расходовалось бы его на таяние снегов меньше. Получается парадокс, что уменьшение количества получаемого от Солнца тепла, возможно, заставило бы даже отступить снежные покровы, существующие в настоящее время на полюсах Земли.
Далее Симпсон утверждает, что, по-видимому, на самом деле имеет место обратное: небольшое увеличение количества солнечного тепла могло бы усилить испарение вод океанов. Лата бы уже не хватало, чтобы растопить все дополнительно выпадающее количество снега. Льды стали бы медленно продвигаться к югу, и началось бы оледенение. С дальнейшим увеличением количеств солнечного тепла больше стало бы дождей и не возникало бы трудности объяснить таяние слишком обильных зимних снегов.
Хотя автору эти аргументы кажутся более убедительными, чем предыдущие, тем не менее вполне естественно, что многие ученые с большим трудом принимают подобную теорию: «Солнце горячее — Земля холоднее», объясняющую ледниковые периоды. Б. Белл недавно предложила внести некоторые изменения в эту простую теорию. Возможно, это сделает ее более приемлемой. Она предполагает, что до оледенения имел место длительный период ослабления солнечного излучения. И действительно, геологами установлено, что перед последним ледниковым периодом, бывшим в эпоху плейстоцена, в течение многих миллионов лет климат на Земле становился все холоднее и суше. В подобный период океаны остывали бы, ослабляя нагревающее действие в высоких широтах таких теплых течений, как Гольфстрим, и способствуя тем самым образованию вечных льдов в полярных морях; это имеет место сейчас, но не представляется типичным для прошлого Земли. Например, как это ни кажется неправдоподобным, на протяжении большей части геологической истории Земли климат Гренландии более способствовал произрастанию магнолий, чем образованию ледяных полей.
Таким образом, Земля и, в особенности, океаны на больших широтах перед оледенением должны предварительно охладиться. Когда же солнечное излучение усиливается, возвращаясь к прежней интенсивности, увеличивается испарение и количество осадков, и так же как в гипотезе Симпсона, развиваются ледники. В конце концов, когда солнечнее излучение увеличивается
- 212 -
еще больше, летнее таяние начинает преобладать, льды отступают и со временем исчезают окончательно. Если бы солнечное излучение снова отклонилось от нормы до уровня, на котором оно находилось во время образования ледников, оледенения не произошло бы, так как не было бы предварительного охлаждения Земли. По сути дела, Белл полагает, что ледниковые периоды являются следствием усиления солнечного излучения, но только если это усиление происходит после длительного ослабления солнечного излучения.
Описанные теории предполагают изменение общего излучения Солнца, т. е. солнечной постоянной. Здесь уместно задать вопрос: могут ли происходить подобные изменения солнечного излучения или нет, а также бывали ли они фактически? Приходится признать, что до сих пор нет сколько-нибудь надежного ответа на этот вопрос.
Выше уже упоминалось, что излучение Солнца в далеком ультрафиолете и корпускулярное излучение сильно меняются. Г. К. Виллетт, метеоролог Массачусетского технологического института, полагает, что в значительно большей степени, чем общим нагреванием или охлаждением Земли, появление ледников объясняется изменением этого ультрафиолетового излучения, которое влияет на характер циркуляции в атмосфере. За последнее время увеличивается количество наблюдений, свидетельствующих об изменениях ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца и об их влиянии на погоду. Однако суть и причина этого влияния все еще неясны. Более того, Виллетт утверждает, что многочисленные периодические проявления климатических изменений, начиная от ледниковых периодов и вплоть до происходящего в последнее время потепления зим в умеренных широтах и повсеместного отступления ледников, — все это отличается только длительностью и амплитудой; все эти явления согласно его теории получают единое объяснение.
Однако ледниковые периоды — крайне сложные явления и, по-видимому, возникают вследствие совокупности ряда причин. Оба упоминавшихся солнечных агента в действительности, вероятно, дополняют друг друга. Изложенные выше теории не следует рассматривать как исключающие друг друга.
Вопрос осложняется тем, что согласно геологическим данным не все оледенения происходили вблизи полюсов. Около 250 миллионов лет назад огромные ледники возникли в районе современной Индии. Для объяснения столь «причудливого» распределения ледников некоторые геологи предположили, что эти области суши, ныне лежащие на экваторе, в свое время находились около полюса и покрылись там ледниками. Это объяснение предполагает, что либо континенты дрейфовали подобно ломтям хлеба
18 Наше Солнце
- 273 -
в сосуде с патокой, либо Земля целиком сдвинулась относительно своей оси вращения. Возможность подобного «своевольного» поведения Земли в течение долгого времени порождала оживленные споры. Однако соображения, недавно высказанные Т. Гольдом, вполне убедительно показывают, что положение оси вращения не только может, но и должно меняться в теле Земли. Более того, это изменение происходит так, что момент инерции остается наибольшим.
Иными словами, по мере медленного подъема одних горных цепей и разрушения других, вся Земля медленно поворачивается так, чтобы основные массы наиболее высоких гор располагались вблизи экватора. Мы знаем, что последний ледниковый период имел место всего лишь 20 000 лет назад, когда положение земной оси и материков в основном было таким же, как и в настоящее время. Поэтому гипотеза о перемещении материков относительно земной оси способна лишь объяснить, почему оледенение происходило в самых неожиданных местах земной поверхности, и вовсе не там, где это кажется естественным. Она совсем не объясняет ни происхождения оледенения в определенную геологическую эпоху, ни причины этого явления вообще.
Уже упоминалось, что, по-видимому, много причин способствует возникновению оледенений. Возможно, что одной из них являются изменения состава земной атмосферы. Водяные пары или углекислый газ, например, создают так называемый «тепличный эффект»; они задерживают инфракрасное излучение и препятствуют земному теплу рассеяться в пространстве. Возможно также, что причиной оледенения может быть встреча солнечной системы с газовой туманностью или облаком космической пыли. Эти объекты весьма часто встречаются в пространстве, однако их плотность слишком ничтожна, чтобы сколько-нибудь значительно экранировать солнечное излучение. Есть и другая возможность. В. Ж. Шефер (Компания Дженерал электрик) экспериментально показал, какую важную роль в воздухе играют мельчайшие частицы в качестве центров конденсации, вокруг которых водяные пары легко сгущаются в капельки. Осуществление искусственного дождя в основном сводится к распылению частиц вещества, обладающих свойством сильно конденсировать влагу и образовывать дождевые капли. Возможно,что естественные активные центры конденсации (облака космической пыли или пепел, вызванный необычайно сильной вулканической дея-тельностью)могут способствовать наступлению ледниковых периодов, значительно увеличивая количество осадков. Вулканическая деятельность представляется более существенной, чем космическая пыль, которая вряд ли эффективна вследствие своей чрезвычайно малой плотности.
- 274 -
Отсутствие места лишает нас возможности остановиться подробнее на этом интересном вопросе. (См. подробнее об этом в книге Изменение климата, под редакцией Харлоу Шэпли х).)
Происхождение солнечной системы
Прежде чем закончить эту главу, хотелось бы затронуть последний вопрос: можно ли считать, что Земля произошла от Солнца? Возникновение солнечной системы, как и все, что было в столь отдаленную эпоху, окутано тайной. Высказывалось множество гипотез, большинство из которых уже признано несостоятельными.
Так называемую «небулярную гипотезу» впервые выдвинул в начале XIX в. французский математик Лаплас, а позже разработали и развили другие ученые. Согласно этой гипотезе предполагалось, что когда Солнце сжималось из первоначальной туманности, от него последовательно отделялись кольца вещества. При сжатии вращение тела ускоряется до тех пор, пока не возникнет неустойчивость и не отделятся у экватора кольца вещества. Эти кольца распадаются на части, которые, слипаясь, образуют планеты. Таким образом, согласно теории Лапласа, образование планет является естественным следствием эволюции звезд; это — самое заманчивое в небулярной гипотезе, означающее, что планеты могут быть у большинства звезд. Тогда и Земля не может быть единственным в своем роде образованием.
Современный немецкий философ и физик Ф. фон Вейцзеккер также разработал теорию, согласно которой Солнце- и планеты образовались из вращающейся первоначальной туманности. По Лапласу, туманность вращается плавно вокруг своей оси, а по фон Вейцзеккеру,— онабурлити клокочет. Неистовые турбулентные движения приводят к образованию отдельных уплотнений, причем некоторым из них удается сконденсироваться в планеты; остальной газ собирается в центре и образует Солнце.
Критический анализ показывает, что обе эти гипотезы"встречаются с серьезными трудностями. Если бы Солнце образовалось одним из этих способов, то скорость его вращения была бы значительно больше, чем наблюдаемая. Иными словами, исходя из наблюдаемой в настоящее время скорости вращения, можно придти к выводу, что Солнце никогда не вращалось со скоростью, достаточной для отделения колец или для поддержания очень мощных движений. Не ясно также, могут ли на самом деле кольца или сгустки газа сконденсироваться в планеты.
х) Русский перевод выпущен Издательством иностранной литературы в 1958 г. (Прим, перев.)
- 275 -
18*
Совершенно иную теорию отстаивали Джинс и его единомышленники; рождение планет рассматривалось как очень редкое явление, требующее столкновения или почти столкновения нашего Солнца с другой звездой или звездами. В результате подобной встречи образуются «обломки» вещества, оторванного от Солнца или выброшенного в результате взрыва. Против всех подобных гипотез существует, по-видимому, два вполне основательных возражения. Выброшенные газы должны быть слишком горячи, чтобы сгуститься в планеты. Даже если бы планеты все же как-нибудь и образовались, их орбиты были бы гораздо меньше и значительно эллиптичнее (сильнее вытянуты), чем наблюдаемые в действительности.
Третий тип гипотез связывает происхождение солнечной системы с образованием систем звезд и галактик и с расширением вселенной. В соответствии с теорией относительности, в тот момент, когда началось расширение вселенной, плотность ее была настолько велика, что галактики, звезды, планеты и даже отдельные атомы не могли существовать как индивидуальные образования. Вместо этого более или менее равномерно пространство заполнялось очень плотным веществом. В соответствии с теорией, недавно выдвинутой Д. Лейзером, последующая эволюция протекала следующим образом. В первоначальном веществе образовались небольшие неоднородности самых различных размеров. Расширение способствовало конденсации вещества в отдельные массы типа облаков. Каждое космическое облако обладает сложной структурой, состоящей из иерархии более мелких облаков, которые в свою очередь состоят из еще более мелких. Самые крупные космические облака становятся галактиками и скоплениями галактик; более мелкие— скоплениями звезд, а еще более мелкие развиваются в объекты, подобные нашей солнечной системе. В эпоху, когда начала выделяться солнечная система, она содержала конденсации (еще более мелкие облака), которые в дальнейшем развились в планеты и спутники планет. Когда конденсации превращаются в планеты и спутники, орбиты их становятся более круговыми вследствие трения (столкновений между собою), которое к тому же стремится выравнять орбиты всех планет к одной плоскости.
Теория Лейзера представляется многообещающей и по крайней мере до настоящего времени не встретила еще серьезных возражений. Ее достоинство в том, что планеты представляются такими же обычными образованиями, как звезды и галактики.
Однако следует воздержаться от безоговорочного признания какой-либо из гипотез о состоянии вселенной в очень далеком прошлом. Слишком много имеется пока еще неизвестных факторов. Возможно, что на ранних стадиях эволюции вселенной электромагнитные силы были столь же существенны, как
- 276 —
и гравитационные. Быть может, пренебрежение этими силами делает столь трудной задачу восстановления деталей процесса эволюции. Во всяком случае, чем дальше мы экстраполируем в прошлое или будущее от эпохи, доступной наблюдениям, тем более следует быть осторожным.
Помня об этом, все же рассмотрим, каким представляется будущее нашего Солнца. Солнце — типичная звезда главной последовательности средней величины. Оно будет продолжать постоянно светить, примерно с такой же интенсивностью, как и сейчас, в течение десятков, а то и сотен миллионов лет. Водород в ядре Солнца будет постепенно превращаться в гелий. Со временем его запасы там истощатся, и «выгорание» передвинется в слой, окружающий ядро. Когда это произойдет, Солнце начнет становиться все ярче, больше и краснее. (Шварцшильд даже считает, что постепенное изменение химического состава в ядре Солнца уже начало увеличивать его яркость приблизительно на половину звездной величины за последние два миллиарда лет.) В течение грядущих миллионов лет диаметр Солнца постепенно увеличится во много раз по сравнению с его настоящими размерами. Светимость также возрастет во много раз. На Земле погибнет жизнь, и океаны выкипят до дна вследствие наступления сильной жары. Не исключено, что и вся Земля погибнет, поглощенная необычайно разросшейся и, возможно, состоящей из протуберанцев атмосферой Солнца.
Позднее, когда и водород, и гелий почти полностью истощатся, Солнце остынет и сожмется; оно станет белым карликом. Наконец, оно побледнеет и перестанет быть видимым, превратившись в холодный «шлак». Оно будет все еще сопровождаться теми планетами, которые переживут его в стадии гиганта, планетами, которым некогда оно давало свет и жизнь.
13
Солнечная энергия и потребности человечества
Многие вопросы, разобранные в предыдущих главах, например, расстояние до Солнца, его температура и химический состав, могут показаться чрезвычайно далекими от жизни человека. Это не значит, что занятия астрономией требуют оправдания с практической точки зрения.
Основная ценность всякой науки состоит в накоплении знаний. Неважно, имеют ли результаты изучения непосредственное или отдаленное применение к человеческим проблемам. Однако история показывает, что чистая наука часто приносит практические плоды в самых неожиданных отраслях. Так было и с солнечными исследованиями.
Выше говорилось о медленном, но явном «угасании» Солнца, которое наступит, когда в его ядре будет исчерпан источник атомной энергии. Зато вполне можно быть уверенным, что в течение грядущих нескольких миллионов лет яркость Солнца не возрастет настолько, чтобы уничтожить жизнь на Земле. Астрономы
- 279 -
привыкли иметь дело с длительными явлениями. Однако сейчас мы рассмотрим вопрос, не связанный с большими промежутками времени. Речь пойдет о непосредственных связях между Солнцем и Землей в настоящее время.
Ископаемые запасы солнечного света
Наша современная цивилизация использует огромные естественные источники энергии — уголь, нефть, природный газ — гораздо быстрее, чем они пополняются. Для образования имеющихся запасов угля и нефти потребовались длительные геологические эпохи. Когда эти запасы будут израсходованы, придется ждать миллионы лет, прежде чем они восстановятся естественным путем. Неужели в это время наши автомобили, станки и машины будут простаивать?
Как уже отмечалось, энергия угля и нефти — это накопленная световая энергия Солнца. Обширные леса, существовавшие в каменноугольный период 200—300 миллионов лет назад, аккумулировали солнечный свет и «законсервировали» его энергию в виде древесины. Животная и растительная жизнь процветали в громадных болотах, покрывавших неизмеримо большую часть земной поверхности, чем в наше время. С течением веков деревья гнили, лес превращался в торфяное болото, и деревья погребались под медленно наслаивавшимися пылью, песком и илом. Вес наслаивавшихся образований спрессовывал сгнившие растительные остатки в плотные слои. Под действием давления и высокой температуры в них происходили химические превращения и постепенно образовались современные крупные залежи угля. На дне других доисторических болот скопления микроскопических организмов, претерпев аналогичные изменения, превратились в нефть и природный газ.
Мы невероятно быстро используем этот ископаемый солнечный свет. В настоящее время ежегодная добыча угля в США достигает, примерно, 550 000 000 тонн. Добыча нефти дошла до 430 000 000 000 литров в 1957 г., а природного газа — до рекордной цифры 300 миллиардов (3-1011) кубических метров. А потребление все растет из года в год!
Обследование, произведенное в начале XX в., установило, что основные залежи угля при современных темпах ежегодной добычи истощатся за три тысячи лет. Однако последняя разведка пришла к значительно менее оптимистическим выводам. Оказалось, что запасы значительно меньше, чем предполагалось раньше. Также не оправдались расчеты на экономическую добычу угля. Согласно пересмотренным оценкам запасов угля хватит примерно на 100 лет. Обнаружение новых месторождений или
- 280 -
разработка второсортных узких пластов продлит этот срок самое большее на несколько десятилетий.
За последнюю четверть века известных на каждый день запасов нефти хватало, чтобы удовлетворять потребность США только на 15—20 лет. К счастью, новые залежи нефти продолжают находить быстрее, чем идет разработка прежних; и действительно, когда я пишу эти строки, нефтяная промышленность буквально задыхается от избытка нефти; все это говорит о том, что число еще не открытых месторождений нефти должно быть очень велико. Но мы не можем рассчитывать, что так будет всегда. Согласно современным прогнозам, учитывающим рост новых месторождений и возрастающие потребности, наших запасов нефти и газа, как и угля, хватит меньше чем на сто лет. Для нефти этот срок можно увеличить еще на несколько десятилетий, если по примеру шотландцев и шведов перегонять нефть из глинистых сланцев. Из битуминозных и бурых углей можно добывать нефте-заменители. Однако их стоимость станет значительно больше, чем сейчас.
В течение многих лет автомобильная промышленность Соединенных Штатов шла по пути создания больших машин и мощных моторов. Эти автомобили в интересах скорости, удобства и престижа расходуют на каждый километр значительно больше бензина, чем необходимо для соответствующей перевозки. Когда-нибудь мы, по-видимому, станем свидетелями противоположной тенденции. Автомобили станут меньше, а двигатели легче, подобно современным распространенным европейским моделям. Когда истощатся наши нефтяные ресурсы, большой автомобиль станет роскошью. Чем раньше мы перейдем к такого рода экономии и сократим ныне существующую излишнюю расточительность, тем на более длительное время хватит наших ресурсов. В конце концов следует ожидать, что правительство перейдет к распределению нефтепродуктов, если одного только повышения цен окажется недостаточным, чтобы сократить расходы горючего.
Возможно, приведенная выше оценка времени, на которое хватит наших ресурсов, занижена. Ресурсы других стран несколько больше — их хватит лет на 300 при современном уровне производства, так что следует ожидать, что мы будем ввозить в ближайшие десятилетия значительно больше нефти, чем сейчас. Но с ростом индустриализации в мировом масштабе усилится борьба за нефть, и сократится доля ее, которая достанется нам. Наш экспорт, в частности угля, может сильно увеличиться. Так, мы уже отправляем уголь в Ньюкасл, причем некоторые специалисты утверждают, что в будущем добыча угля в Великобритании станет весьма незначительной.
Вне зависимости от того, истощатся ли наши запасы через-сто или даже через тысячу лет, не несем ли мы известной
- 281 -
ответственности перед нашими потомками, которые будут жить в то время? Фермер сажает деревья, которые приносят плоды ого детям и внукам. Так же и национальное планирование часто охватывает длительные периоды времени. У нас имеются большие планы лесонасаждений, очистки воздуха от пыли, развития сети гидростанций. Если не принять своевременных мер, истощение горючих ископаемых станет мировой катастрофой. Проблема очень обширна. Возможно, понадобятся сотни лет для полного ее решения, и сейчас вполне своевременно к нему приступить.
Вы не можете себе представить, до какой степени ископаемое горючее входит в нашу повседневную жизнь. Посмотрите на окружающие предметы. Многие из них металлические, другие пластмассовые. Даже в производстве ковров, мебели, электрических ламп, тканей участвовали так или иначе уголь, нефть и газ либо как сырье, либо как источник энергии, потреблявшейся в процессе изготовления. Само электричество, используемое в ваших электроприборах, частью вырабатывается за счет энергии воды, но большей частью за счет сжигания ископаемого топлива.
Кажущееся обилие и широкая распространенность этого топлива вводят в заблуждение. Следует помнить, что мы расточаем за несколько столетий энергию, накопленную в течение миллионов лет. Человек, растрачивающий свое наследство в тысячу раз скорее, чем оно накапливалось его отцом, не может долго оставаться кредитоспособным.
Возможно, что я слишком пессимистически расцениваю наши энергетические ресурсы. Новые залежи нефти и угля могут быть значительно богаче, чем геологи полагают теперь. Но никак нельзя считать, что еще рано приниматься за изыскание новых способов производства жидкого топлива, не основанных на угле и нефти.
Другие источники энергии
Вследствие недолговечности обычных источников энергии человечество ожидает банкротство. Где найти энергию, когда угля, нефти и газа уже не будет? У ветра и воды? Оба эти источника энергии косвенным путем поступают от Солнца. Неравномерность нагревания воздуха Солнцем вызывает его движение в атмосфере. Энергия ветра будет шире использоваться значительно раньше, чем это можно себе представить. Во всем мире давно уже пользуются ветряными мельницами для накачивания воды. В настоящее время разрабатываются экспериментальные проекты более эффективных ветряных турбин. Ветер, дующий с силой 40 км/час.— это довольно сильный бриз. Ударяясь о турбину диаметром в 30 м. он может генерировать электроэнергию с мощностью около 100 киловатт. Однако по сравнению с гидро
- 282 -
электростанцией той же мощности эта установка обходится значительно дороже. С‘истощением других источников энергии придется увеличивать использование гидроресурсов. Однако в Соединенных Штатах лучшие из них уже эксплуатируются. Тем не менее используемой энергии воды хватает для удовлетворения только 4% наших энергетических потребностей. Проблема передачи энергии на большие расстояния без существенных потерь все еще не решена. Имеется много мелких рек, каждая из которых сможет дать несколько киловатт энергии, но географическое положение делает общее их использование дорогим.
И ветер, и вода в различной степени — относительно мало эффективные преобразователи солнечного излучения. На нагревание атмосферы идет большая часть солнечной энергии, чем на испарение воды. Однако естественная тенденция водоразделов собирать дождевые и талые воды в один легко используемый поток — хорошая компенсация за мизерность той доли солнечного излучения, которая идет на испарение вод. В большинстве мест ветры порывистые. Сильные постоянные ветры обычно бывают только в горных местностях, где долины и цепи гор отклоняют движение воздуха, образуя постоянные потоки. С исчезновением дешевых горючих ископаемых некоторые виды промышленности передвинутся в высокогорные районы, где изобилие энергии ветра и воды.
До некоторой степени развитие производства атомной энергии отсрочит истощение наших запасов. Как указывалось в гл. 11, имеются две основные разновидности атомных реакций: деление и синтез. Наиболее известный пример первой — расщепление урана. Когда нейтрон попадает в ядро атома урана 235, он вызывает деление ядра на две неравные части, сопровождающееся излучением энергии и образованием еще нескольких нейтронов, способных расщепить другие атомы U 235. Если этот процесс происходит в контейнере со специальными металлическими стержнями, поглощающими избыток нейтронов, скорость деления может точно контролироваться. Без этих стержней уран даст взрыв, как в обычной атомной бомбе.
С самого начала ученые обнаружили, что контролировать выделение энергии из урана очень просто. Контейнер остается сравнительно холодным и не плавится. Таким образом, атомный реактор, вырабатывающий электроэнергию для кораблей и подводных лодок, довольно прост. Ряд таких реакторов в настоящее время уже работает.
Использование атомной энергии быстро развивается. Англичане, которые применяют свинец для промышленного производства атомной энергии, по намеченной программе предполагают в 1965 г. получить с помощью атомных станций- 6 000 000 киловатт электроэнергии. Французы к 1967 г. собираются получить
- 283 -
даже больше —8 000 000 киловатт, а японцы — 3 000 000 киловатт к 1965 г.
Однако при эффективности, которой обладают атомные реакторы, необходимо ежегодно расщеплять 200 тонн урана 235„ чтобы заменить расход угля только для одних Соединенных Штатов. Это количество соответствует 30 000 тонн чистого урана,
Рис. 173. Д-р Мартин Фокс из Национальной лаборатории в Брукхэвене рассматривает деревянную модель ядерного реактора, используемого для научных исследований. В левой грани куба — большие круглые отверстия, через которые нейтроны могут направляться для научных исследований. В правой грани — множество мелких дырочек — урановые стержни в графитном модераторе. Образец вещества в контейнере помещается на короткое время в реактор для бомбардировки нейтронами. После этого он становится радиоактивным и применяется для дальнейших экспериментов. Медленные нейтроны могут выйти из реактора через графитную трубку, находящуюся наверху. Тяжелый бетонный щит толщиной 1,5 м закрывает весь реактор.
поскольку на 140 его частей приходится только одна часть изотопа с весом 235. Спедовательно, требуются большие запасы руды. Так как имеющиеся руды в среднем содержат не более 0,5% урана, речь идет о добыче и переработке по крайней мере 6 000 000 тонн руды в год.
- 284 -
В 1958 г. Джесс К. Джонсон, директор Отдела сырья комиссии по атомной энергии, заявил: «Наша страна обладает запасами руды в 70 миллионов тонн, чего хватит только на 10 лет при добыче на уровне 1959 г.». Поэтому уран, как нефть и уголь, не может надолго удовлетворить постоянно растущие ненасытные энергетические потребности человечества.
Разумеется, можно использовать оставшиеся годы отсрочки, чтобы научиться контролировать протон — протонную реакцию. Водород — дешевое и обильное топливо, а другие легкие атомы, например, литий, бериллий и бор,— также возможные источники ядерной энергии.
Однако, в отличие от расщепления, процесс синтеза существенно труднее контролировать. Например, в протон — протонной реакции два ядра водородных атомов должны столкнуться с достаточной силой, чтобы слиться, образуя дейтрон, и выделить энергию. Это произойдет только, если они движутся с относительной скоростью больше 160 км/сек. Чтобы заставить атомы двигаться так быстро, необходимо нагреть газ до температуры около 5 миллионов градусов! Взрыв обычной урановой бомбы в водороде играет такую же роль, как и воспламенение капсюля в куске динамита.
Чтобы контролировать водородную реакцию, необходимо создать контейнер, способный выдержать 5 миллионов градусов. Ни одно вещество не может послужить материалом для такого контейнера. Но в течение по крайней мере ничтожной доли секунды очень сильное магнитное поле способно играть роль «стенки». Когда я пишу эти строки, газеты сообщают о существенном прогрессе в достижении температуры в несколько миллионов градусов в течение миллионной доли секунды. В лучшем случае, пройдет еще много лет, прежде чем будет создан управляемый процесс, имеющий практическое значение. Даже тогда может потребоваться машина слишком дорогой конструкции и слишком опасная для широкого практического использования в качестве источника энергии.
Обширные исследования в области ядерных реакций как расщепления, так и синтеза, должны продолжаться при поддержке правительства. Их цель — дешевый, обильный и легко управляемый источник атомной энергии, а не все более и более крупные и смертоносные бомбы. Мы стремимся разрешить к сроку топливную проблему, ибо у нас впереди всего-навсего 100 лет, и чем скорее она будет решена, тем больше выиграют страны, особенно бедные топливом, ибо уран гораздо дешевле транспортировать, чем громоздкое обычное топливо.
Если, что весьма возможно, контролируемый синтез легких элементов окажется непрактичным, со временем нам придется «снова обратиться к непосредственной солнечной энергии.
- 285 -
Действительно, зачем ограничиваться лишь косвенным использованием энергии Солнца? Зачем ждать испарения вод в океанах? Или ждать, когда задуют ветры? Почему бы не перейти к непосредственному улавливанию солнечного света?
Мы уже знаем, что Солнце посылает на Землю огромное количество тепла. В полдень на широтах Соединенных Штатов при идеальных условиях солнечное излучение, падающее на один квадратный метр земной поверхности, способно обеспечить мощность в одну лошадиную силу. Если вы хотите, скажем, установить на своем автомобиле с мотором в 60 лошадиных сил приспособление, позволяющее двигаться за счет солнечной энергии, представьте себе прежде всего большой прямоугольный парус размером, примерно, 6x9 м, вмонтированный в крышу автомобиля. Это — минимальный размер для мотора с максимальной эффективностью. Учитывая малую эффективность, следует иметь достаточный запас мощности. Для этого надо удесятерить площадь тента. Отсюда ясно, насколько непрактично осуществление подобной идеи в таком виде.
Но одна лошадиная сила на квадратный метр составляет около 1 000 000 лошадиных сил на квадратный километр. При цене только один цент за киловатт-час энергия, аккумулированная за день, будет стоить около 200 000 американских долларов.
Площадь около 500 квадратных километров получает столько же солнечной энергии, сколько в настоящее время на всем земном шаре производится путем сжигания топлива. Ясно, что солнечный свет — самый большой наш естественный источник энергии.
Постараемся создать еще более наглядную картину. За год Земля получает от Солнца достаточное количество тепла, чтобы растопить слой льда-толщиной в 34 м, покрывающего всю поверхность. (Разумеется, в среднем: на экваторе таяние значительно быстрее, а на полюсах оно медленнее.) И это при том условии, что только почти одна двухмиллиардная (1/2-10"9) доля общей энергии Солнца попадает на Землю. По количеству солнечного света, которое в межпланетном пространстве приходится на Землю, ее можно сравнить с трехкопеечной монетой, лежащей где-то на круглом поле диаметром полкилометра.
Но энергия, которая никогда не попадает на Землю, меньше всего нас заботит. Задача состоит в том, чтобы использовать ничтожную ее долю, достигающую Земли. В настоящее время разрабатывается множество способов; к несчастью, все они либо страшно неэффективны, либо крайне дороги.
Все тепловые двигатели — паровые, внутреннего сгорания, дизельные и прочие,— основаны на простом законе физики. Расширяющийся газ, приводящий машину в движение, должен.
- 286 -
начинать свой цикл при высокой температуре, а заканчивать его при низкой. Коэффициент полезного действия мотора пропорционален разности температур между начальным и конечным состоянием газа. Чем больше эта разность, тем большую работу совершает мотор и тем больше его коэффициент полезного действия. Для повышения эксплоатационных качеств паровой машины пар перегревается под высоким давлением и затем впускается в охлаждаемый водой конденсатор.
Трудность состоит в том, что солнечное излучение не создает очень больших температур. Кусок металла, освещаемый солнечными лучами, может настолько нагреться, что к нему нельзя будет прикоснуться, но все же этого недостаточно, чтобы заставить работать эффективный двигатель.
Во многих домах сказочно сотнечных областей, вроде Флориды, Калифорнии и Техаса, для нагревания воды используются системы трубок, освещаемых Солнцем. Однако если нет больших хранилищ горячей воды, облачные дни, а также ночи заставляют жителей мечтать даже о еще более благоприятных небесах.
Многие смеси испаряются быстрее, чем вода; их можно было бы использовать для работы в солнечных машинах. Однако этот метод не может быть применен на практике, пока не изобретен дешевый и простой способ заставлять жидкость циркулировать, подвергая ее действию солнечного излучения.
Можно получать более высокую температуру, используя зеркала и линзы, концентрирующие излучение. Стоимость таких установок, требующих мотора для поворачивания зеркал, настолько велика, что пока их нельзя признать практичными. Тем не менее эти планы разрабатываются. Несколько лет назад на обсерватории Маунт Вилсон Аббот построил солнечную печь, в которой цилиндрический рефлектор нагревал до высокой температуры растительное масло; другие ученые сконструировали солнечный очаг, в котором температура на небольшой площадке была достаточной для плавления железа.
Позже было построено еще несколько удачных солнечных печей. Французы строят очень большую печь в Пиренеях. Еще одна солнечная печь была использована в Соединенных Штатах для плавки огнеупорных веществ и производства высококачественной керамики. Солнце — очень чистый источник тепла. В солнечной печи можно плавить вещество, не загрязняя его ни углем, ни нефтью, ни различными продуктами сгорания.
Возможно, что основная трудность в использовании непосредственной солнечной энергии состоит в ее хранении. Солнце светит с перерывами, а нужды людей постоянны и часто даже увеличиваются тогда, когда Солнца нет. Необходимо сохранить для
- 287 -
Рис. 174. К. Г. АОбот у солнечной печи. Печь нагревается за один час и печет имбирные пряники за 35 минут.
ночного потребления энергию, собранную (аккумулированную) днем, или, что даже еще труднее, нужно сохранить летний избыток излучения для использования его зимой.
Таким образом, несмотря на то, что солнечная энергия, падающая за день на площадку в х/2 гектара, стоит по меньшей мере 300 долларов, в настоящее время нет практической возможности «положить их в карман».
Не будем торопиться с выводом/что солнечные тепловые машины не имеют практического будущего. Но их надо изобрести
Рис. 175. Солнечная печь, созданная квартирмейстерским и инженерным центром исследований Вооруженных сил США. Гелиостат (справа) размером 10X12 м состоит из 356 зеркал и поворачивается за Солнцем, посылая свет от него на концентратор (слева) через горизонтальные лопасти ослабителя; 180 зеркал концентратора сводят солнечный свет в 10-сантиметровый кружок внутри камеры, где температура достигает 5000°. (Фото Вооруженных сил США.)
и регулярно использовать. Для успеха необходимо, чтобы сколько ни стоило конструирование этих машин, эксплуатация их была бы очень дешевой.
Другая возможность основана на том, что некоторые вещества, например, известь, выделяют тепло при смешении с водой. В продаже имеется множество различных грелок, основанных на этом принципе. Когда известь поглотит всю влагу, которую она может удержать, выделение тепла прекращается. Можно представить себе машину, работающую на тепле, получаемом таким
19 Наше Солнце	-2S9
путем. Когда «топливо» насыщено водой (получается гашеная известь), его можно выставить на открытый воздух, где под действием солнечного тепла оно высохнет и станет готовым к новому использованию.
Можно использовать также различные электрические эффекты. Свет, падающий на некоторые специальные поверхности, вызывает электрический ток. Солнечные батареи, непосредственно превращающие свет в электричество, уже имеют в настоящее время коммерческое значение. Пока они использовались только
Рис. 176. Отверстие величиной в 10 см выплавлено в железной двутавровой балке, помещенной в фокусе солнечной печи. (Фото Вооруженных сил США.)
в отдельных случаях, главным образом для питания миниатюрных радиоприемников, для сельских телефонных линий и уже совсем недавно для радиопередатчиков и прочего электрооборудования на искусственных спутниках Земли.
Частичное отопление домов с помощью солнечного излучения гораздо ближе к широкому практическому осуществлению. В северных широтах необходима специальная конструкция крыши, обладающей большой площадью и наклоном к югу. Стеклянные пластинки наверху, как в оранжерее, образуют узкие ячейки, улавливающие солнечный свет. Внутри них циркулирует воздух или вода в трубках. Нагретое вещество скапливается в резервуаре, где и сохраняется, пока не понадобится. Не-
— 290 —
Рис. 177. Солнечный дом Массачусетского института технологии проектов использования солнечной энергии. Солнечный свет нагревает воду, протекающую по системе медных трубок под застекленной крышей. В подвале вода, выкачиваемая из большого бака по мере надобности, отдает свое тепло воздуху, циркулирующему по всему дому.
сколько домов подобного типа уже существуют. Обычный расход топлива, необходимого для поддержания в них ровной температуры, уменьшен более чем вдвое. Патентование различных проектов подобного рода уже приобретает коммерческое значение.
Большим естественным аккумулятором солнечного излучения является растительность. Зеленое вещество листьев — хлорофилл — заставляет углекислый газ, находящийся в воздухе, соединяться с водой. В результате получаются клетчатка и кислород. Кислород уходит в атмосферу, а в молекулах клетчатки задерживается энергия солнечного света, вызвавшего реакцию.
Этот процесс заведомо мало эффективен. При наилучших условиях растительность густого леса использует лишь весьма небольшую долю падающего на нее солнечного света. При эффективности около 2% площадь леса, способного удовлетворить ежегодное мировое потребление угля, должна быть не менее полутора миллионов квадратных километров.
— 291 —
19'
Энергия и топливо будущего
Попытаемся предсказать будущую эволюцию производства энергии и топлива в Соединенных Штатах в эпоху, когда уголь и нефть уже будут исчерпаны. Крупные атомные силовые станции будут снабжать электроэнергией большую часть городов, расположенных вдали от гидроэлектростанций. Многие промышленные предприятия передвинутся на запад—в Колорадо, Аризону и к берегам Тихого океана, где больше запасов энергии воды. Сила ветра будет использоваться в ныне пустынных районах юго-запада для накачивания воды в системы орошения. Эти области зацветут, как наша Имперская долина, после того как в нее была пущена вода. В результате крупнейшего в истории процесса восстановления лесов вся местность покроется бурной растительностью.
Передвижные заводы будут систематически и согласно научным данным срезать уже выросшие леса. Неэкономно перевозить целые бревна. Оперативно расположенные гигантские прессы с помощью химии буквально за каких-нибудь несколько секунд будут завершать процесс, на который природе понадобились миллионы лет: превращение целлюлозы в ультрановый эквивалент угля — лишенные пыли кубические брикеты стандартного размера. Отбросов не будет. Ветви и листья будут перерабатываться наравне со стволами. Прежде побочный продукт, похожий на патоку сок растений, будет подвергаться брожению, превращаясь в спирт, или, быть может, в «супербензин» для моторов будущего. Из отходов будет производиться многочисленное химическое сырье для волокна для тканей, стройматериалов для домов, удобрений и даже пищи.
Из районов переработки эта продукция будет расходиться по всему свету. Большей частью сжигание вырабатываемого топлива будет происходить на больших силовых станциях в предместиях крупных городов. Потребитель будет получать топливо, как сейчас получает свет — в виде электрического тока.
Если эта картина покажется вам фантастической или за дальностью времени неуместной, все же небезынтересно узнать, что один весьма дальновидный человек не был с вами согласен. Годфри Л. Кабот из Бостона учредил два фонда исследований, один лри Массачусетском технологическом институте, а другой при Гарвардском университете. Цель этих фондов — изыскания в области указанных выше проблем. Первый расходуется на работы по использованию солнечной энергии, а второй — на выведение новых пород деревьев или растений, лучше всего усваивающих солнечный свет.
14
Солнце и^Земля
Не все из’ наших «практических» солнечных проблем могут ждать решения в течение нескольких десятилетий. Некоторые представляют интерес уже сейчас. Я имею в виду так называемые магнитные бури, наиболее сильные в период максимальной солнечной активности. О такой буре судят по колебаниям стрелки компаса. Многие из вас наблюдали часто происходящие в это время яркие свечения атмосферы — полярные сияния. Радиосвязь, особенно на большие расстояния на коротких волнах, становится невозможной во время сильных магнитных бурь.
На поверхности Земли магнитные бури сказываются так же, как и в атмосфере. Изменения магнетизма вызывают сильные электрические токи в наземных линиях электропередачи. Паразитные токи могут пережигать предохранители («пробки»), заставлять телеграфные аппараты без помощи оператора выстукивать непонятные послания или вмешиваться в телефонные разговоры и сигналы телеуправления.
Эти явления объясняются облаками ионизованного газа, выбрасываемыми во время взрывов на Солнце,
— 293 —
солнечных вспышек и других проявлений солнечной активности. Если бы мы могли предсказывать выбросы на Солнце и магнитные бури, операторы коротковолновых радиостанций могли бы
Рис. 178. Солнечное излучение и связанные с ним земные явления во время интенсивной вспышки. (Ковингтон, Национальный исследовательский Совет, Канада.)
эффективнее планировать свои передачи. Это одна из причин, почему исследования Солнца становятся все более и более важными не только для чистой науки, но и для экономики.
Радио и ионосфера
Радиоволны могут преодолевать большие расстояния только потому, что в земной атмосфере на высотах от 110до400к.ч имеются электрически заряженные слои. Их электризация объясняется главным образом действием ультрафиолетового излучения Солнца, которое «отрывает» электроны от атомов и молекул верхних слоев воздуха. Ионизованные слои, называемые ионосферой, отражают длинные радиоволны. Таким образом,
- 294 -
сигнал «мечется» между поверхностью Земли и «небом», уходя далеко за пределы видимого горизонта.
Обычно ионосфера состоит из трех различных слоев, обозначаемых Е, F1 и F21), расположенных в среднем на высотах
°)	ь)
Рис. 179. Отражение волн в ионосфере: а) схема; Ь) аналогия. (Мензел, Элементарный учебник по распространению радиоволн.)
НО, 200 и 240 км над поверхностью Земли. Часто называют нижние части слоя Е на высотах около 80 км — слоем D. Здесь происходит сильное ослабление радиоволн вследствие поглощения.
Рис. 180. Проникновение высокочастотных радиоволн через ионосферу: а) схема; Ь) аналогия. (Мензел, Элементарный учебник по распространению радиоволн.)
Отражение происходит не совсем так, как от зеркала. Ионосферу можно сравнить с ситом, переплеты которого отражают радиоволны. Длинные волны (низкие частоты) не могут пройти
х) Исследования с помощью геофизических ракет показали, *что все эти слои являются частями главного максимума ионизации земной атмосферы, соответствующего, примерно, слою F2. (Прим, перев.)
— 295 -
через «отверстия» и возвращаются на Землю. Короткие волны проходят, теряясь в глубинах межпланетного пространства. Величина «отверстий» постоянно меняется вследствие многих причин. Эти изменения вызываются восходом и заходом Солнца.
Рис. 181. Схема трех ионосферных слоев. (Мензел, Элементарный учебник по распространению радиоволн.)
Наибольшая электризация, соответствующая наименьшим «отверстиям сита», наступает в полдень, когда Солнце выше всего на небе. Наименьшая ионизация (крупные «отверстия») наступает незадолго до рассвета. Имеются также годичные эффекты,
Рис. 182. Зондирование ионосферы радиоволнами. (Мензел, Элементарный учебник по распространению радиоволн.)
связанные с сезонной ориентацией Земли. Дополнительные изменения вызываются солнечной активностью. Во время максимума солнечных пятен ионизация оказывается наибольшей. Наконец, ионосферные возмущения оказываются связанными с магнитными бурями, разрушающими нормальное распределение слоев в верхней атмосфере.
- 296 -
Все эти соображения чрезвычайно важны для радиосвязи. Для успешного контакта между двумя радиостанциями необходимо использовать достаточно низкие частоты, т. е. длинные волны, чтобы они не «просеялись» через «ионосферное сито». Однако если выбрать слишком низкую частоту, можно встретиться с другой трудностью, связанной с тем, что длинные волны испытывают сильное поглощение в нижних слоях ионосферы.
Рис. 183. Запись результатов ионосферного зондирования: а) схема (Мензел, Элементарный учебник по распространению радиоволн); Ь) оригинальная запись. (Центральная лаборатория распространения радиоволн, Национальное бюро стандартов.)
Стетсон, специально исследовавший вопрос о поглощении волн в ионосфере, первым применил радио для изучения Солнца. Его наблюдения слышимости удаленных радиостанций обнаружили усиления и ослабления, связанные с циклом солнечных пятен. Исследования вскрыли также эффекты короткопериодических изменений в ионосфере. Работа Стетсона о связи земных и солнечных явлений положила начало новой интересной области исследований. Им были поставлены многие проблемы, являющиеся в настоящее время основным предметом изучения.
- 297 -
Чтобы получить общую картину явлений, различные государства организовали объединенную сеть станций для наблюдений ионосферы. На каждой станции имеется передатчик, посылающий резкие импульсы вверх, и приемник, регистрирующий отраженный от ионосферы сигнал (эхо). По времени, потребовавшемуся сигналу, чтобы пройти туда и обратно, измеряется высота радиоотражающего слоя. Само наличие эхо означает, что длина волны сигнала превышает размер «ячеек ионосферного сита».
Частота, на которой работает устройство, посылающее импульсы, медленно меняется. Внезапно при некотором критическом значении волны проходят сквозь «сито» и исчезают в пространстве; в этот момент эхо пропадает. По таким наблюдениям в различных областях Земли на каждый час каждого дня в году можно составить карту ионосферных условий. На этих картах обнаруживаются в среднем некоторые закономерности, позволяющие за несколько месяцев предсказать состояние ионосферы в каждый данный момент. Эти предсказания можно назвать «картами радиопогоды».
Предсказания свойств ионосферы для всей Земли, ежемесячно издаваемые Национальным бюро стандартов, содержат основные данные для составления любых сводок о средних условиях слышимости радиостанций. Они дают возможность радистам выбрать частоты, которые вероятнее всего позволят установить необходимую радиосвязь. Одна из серьезных проблем— предсказание изменений, возникающих в результате возмущений на Солнце.
Учитывая, что вся ионосфера — явление, безусловно вызванное ионизующим действием солнечного излучения, не удивительно, что ионосферные возмущения связаны с солнечной активностью. В качестве примера на рис. 184 изображены данные о состоянии слоя F2 по наблюдениям в Окинаве за февраль 1956 г. Зачерненность указывает на степень ионизации: совсем черные участки — время, когда значения критических частот велики; это следствие сильной ионизации, вызванной Солнцем; белые области — периоды наименьшей ионизации. Этот график ярко показывает, как ото дня ко дню и от часа к часу меняются условия в ионосфере. Если бы Солнце оставалось без изменений, на этой диаграмме были бы вертикальные полосы: ионизация менялась бы только в зависимости от высоты Солнца над горизонтом. Для каждого дня месяца почти ничего не менялось бы, за исключением едва заметного постепенного сдвига вследствие изменения склонения Солнца. Момент наибольшей ионизации на рис. 184 главным образом был связан с особой областью на Солнце, пересекавшей центральный меридиан 17 февраля; 23 февраля, когда эта область была на западном краю, в ней произошла знаменитая вспышка, через несколько минут после которой на
- 298 —
блюдалось замечательное необычайное увеличение космических лучей, зарегистрированное многими станциями мира; 25 февраля произошла геомагнитная буря.
Известно много вызываемых Солнцем различных возмущений ионосферы. По-видимому, проще всего объяснить так называемые замирания радиосвязи или внезапные ионосферные возмущения.
Часы (135* Восточной долготы)
Ш 16.0-17,9
Ш№,0-19,9
^^*20,0 мегагерц
Рис. 184. Наблюдаемые ежечасные значения ионизации слоя F2 в Окинаве в феврале 1956 г. (Национальное бюро стандартов.)
Делинджер впервые обратил внимание, что замирание радиосвязи происходит во время вспышек на Солнце, или ярких эруп-ций в линии водорода. Эти вспышки обычно возникают вблизи пятен. Сильное увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения во время такой вспышки усиливает наэлектризован-
- 299 -
ность и поглощение радиоволн в слое D. За несколько секунд прежде интенсивная радиоволна может ослабнуть и совсем исчезнуть. Этот эффект сказывается на частотах от 1,5 до 30 мегагерц (длины волн от 200 до 10 az), причем сильнее всего поглощаются низкие частоты. Как и следует ожидать из природы возмущений, может пострадать от замираний радиосвязи прием

< -1
*	р /!
W)




Рис. 185. Изменение'земного магнетизма, сопровождающееся прекращением отражения радиоволн ионосферой: А—почти горизонтальная линия с яркими краями — запись сигнала, отраженного от ионосферы; заметен перерыв сигнала, происходивший во время сильной вспышки (Магнитная обсерватория в Гуанкайо Института Карнеджи в Вашингтоне); В—запись состояния земного магнитного поля во время той же вспышки; следует отметить возмущение горизонтальной составляющей магнитного поля во время федаута (исчезновения радиослышимости) (Магнитная обсерватория в Гуанкайо Института Карнеджи в Вашингтоне); справа— спектрогелиограмма в линии водорода (На) в 14 час. 42 мин.
(Обсерватория Маунт Вилсон.)
только тех станций, которые расположены на освещенном Солнцем полушарии Земли. Замирания могут длиться от минут до нескольких часов. Одно за другим быстро может последовать несколько возмущений.
Так называемые ионосферные бури — значительно сложнее. Они одновременно начинаются на всей Земле. Ионосферные
— 300 —
слои часто и сильно возмущаются по мере того, как выброшенные Солнцем большие облака газа сталкиваются с Землей. Некоторые слои иногда совсем исчезают и восстанавливаются только через несколько часов. Во время бури «отверстия» в ионосферном «сите» как бы раскрываются, хотя в то же время усиливается и поглощение радиоволн. Первая причина заставляет работать, на более низких частотах, в то время как вторая, наоборот, чтобы уменьшить поглощение, требует более высоких. Часто невозможно найти удовлетворительного компромисса между обоими противоречивыми требованиями, и радиосвязь становится невозможной. Поскольку буря может длиться несколько дней, предсказание возможности нарушения радиосвязи является проблемой большой экономической важности.
Точная причина этих возмущений нам еще не известна. Наиболее общепризнанная гипотеза предложена Чэпменом. Он предполагает, что в активном состоянии Солнце исторгает большой поток ионов и электронов подобно пожарному шлангу, из которого бьет струя воды. Движущаяся в пространстве Земля встречает поток, в котором положительные ионы и отрицательные электроны содержатся примерно в равных количествах. Земля — гигантский магнит, и ее магнитное поле подобно защитному кожуху отбрасывает заряды обратно, по мере того как Земля вступает в поток. Часть вещества потока образует на больших высотах вокруг Земли кольцо из ионов, обращающихся вдоль экватора. Электрический ток этого кольца образует противоположное земному магнитное поле, которое стремится уменьшить напряженность магнитного поля Земли. Так в общих чертах Чэпмен объясняет важнейшие черты магнитной бури. Тот же поток ионов, по-видимому, вызывает ионосферные возмущения и полярные сияния, более новые теории которых будут рассмотрены в следующем разделе1).
*) Советский астрофизик С. Б. Пикельнер предлагает несколько иное объяснение магнитных бурь и связанных с ними явлений. Встречаясь с Землей, поток солнечных ионов и электронов сжимает и уплотняет силовые линии магнитного^ поля Земли, поперек которых он двигаться не может. Такое уплотнение воспринимается на поверхности Земли как усиление магнитного поля, с которого обычно начинается магнитная буря. Отдельные «сгустки» потока проникают в поле Земли и вносят туда быстрые частицы, попадающие в магнитные «ловушки» земного поля — так называемые радиационные пояса. При «ударе» потока о магнитные силовые линии происходит «встряска», в результате которой частицы радиационных поясов сильно разгоняются (газ нагревается) и некоторые из них, «прорываясь», проникают в более низкие слои атмосферы, вызывая полярные сияния. Вторая фаза магнитной бури — ослабление поля вследствие действия тока, обтекающего Землю, в общих чертах соответствует гипотезе Чэпмена с той только разницей, что ионы и электроны должны двигаться не по экватору, а скорее вдоль силовых линий по магнитным меридианам. (См. С. Б. Пикельнер, Солнце, Физмат-гиз, М., 1961). (Прим, перев.)
- 301 -
Выше отмечалось, что Солнце — интенсивный источник радиоизлучения. На небе имеется множество так называемых радио-звезд1), каждая из которых является источником радиоволн. Один из самых сильных источников расположен в созвездии Тельца вблизи эклиптики. Когда Солнце проходит на расстоянии нескольких градусов от источника в созвездии Тельца, наблюдается ослабление его интенсивности. Радиоизлучение как бы меркнет, что вызывается рассеянием радиоволн вследствие прохождения через облака ионизованного газа, расположенные между наблюдателем и источником радиоволн. На низких частотах эффект значительно больше, чем на высоких, что согласуется с теоретическими данными2).
Следует отметить, что ионосферные возмущения неодинаково влияют на различные волны. Они улучшают передачи на очень низких частотах, около 50 килогерц. Усиление сигнала на этих частотах особенно заметно во время так называемых федаутов, сопровождающихся полным исчезновением слышимости на высоких частотах.
Однако солнечное радиоизлучение на частотах от 30 до 1000 мегагерц имеет крайне случайный характер вследствие своей изменчивости. Во время второй мировой войны это излучение часто служило помехой радиолокационным установкам. С ростом телевидения и других средств связи изучение причин и влияния солнечного радиоизлучения становится все более необходимым.
Полярные сияния
(Этот раздел заимствован из книги Д. Г. Мензел а, О летающих тарелках3).)
Мало небесных явлений столь же прекрасных и изумительных, как полярные сияния. Из самого названия видно, что «полярные сияния» чаще всего происходят в высоких широтах, хотя случайно они иногда появляются и ближе к экватору. Северное сияние пользуется широкой известностью, ибо в этом полушарии расположена большая часть обитаемых земель. Но его южный «двойник» или южное сияние также существует и дает естествен
г) Устаревший термин; в настоящее время принято говорить об источниках радиоизлучения. (Прим, перев.)
2) Здесь автор слишком туманно говорит об оригинальном методе исследования самых внешних слоев солнечной короны (так называемой сверхкороны) методом «просвечивания» радиоизлучением Крабовидной туманности. Этот метод был успешно разработан и применен советским радиоастрономом В. В. Виткевичем. Ему удалось исследовать корону на расстояниях до 15 радиусов от Солнца. (Прим, перев.)
3) Имеется русский перевод, выпущенный Издательством иностранной литературы в 1962 г. (Прим, перев.)
- 302 —
ный свет антарктическим экспедициям. Хотя чем дальше от полярных областей, тем реже бывают сияния, многими наблюдениями установлено, что большая часть полярных сияний происходит не точно на географических полюсах вращения Земли.
Эксперименты показывают, что Земля — намагниченная сфера. Это тот самый магнетизм, который заставляет стрелку компаса «смотреть» на север, указывая дорогу путешественнику.
Рис. 186. Полярное сияние. (Карл В. Гартлейн,Национальное геогра фическое общество.)
Однако магнитные полюса не совпадают с географическими и удалены от них примерно на 12°. Северный магнитный полюс Земли, который притягивает южный конец магнитной стрелки, расположен недалеко ст Баффиновой Земли, севернее Гудзонова залива в Северной Америке. В южном полушарии полюс расположен в Антарктиде. Однако полсжение этих полюсов фиксировано неточно. Они совершают медленное, правильное, почти круговое движение вокруг полюсов вращения.
Ученые обнаружили, что полярные сияния чаще всего происходят в местах, лежащих на круге, удаленном на 23° от магнитного полюса. По мере удаления от этой зоны максимума сияний
- 303 -
к полюсу или в другую сторону — к экватору — количество наблюдаемых сияний уменьшается. В настоящее время жители североамериканского континента находятся в более благоприятных условиях для наблюдения сияний, чем, например, жители тех же широт в Центральной Европе.
Хотя формы и характер полярных сияний столь же многообразны, как и летние облака, тем не менее можно выделить определенные их типы. Обычно они классифицируются по наличию
Рис. 187. Большая солнечная вспышка 25 июля 1946 г.; снимки в линии водорода: слева — в 15 час. 37 мин. по мировому времени; в центре —в 16 час. 14 мин.; справа — в 16 час. 24 мин.
См. также рис. 188. (Д’Азамбужа, Медонская обсерватория.)
или отсутствию заметной лучистой структуры. Наиболее часты сияния в виде круговой ленты света, дугой пересекающей северную часть неба. Некоторые из этих дуг просто светятся, не обнаруживая заметной внутренней структуры, в то время как другие состоят из ряда лучей, подобных зубцам Гребня. Обычно свечение медленно перемещается, но иногда оно мерцает и вспыхивает подобно отблескам лесного костра. Таким образом, имеются три важнейших класса сияний: однородные дуги, лучистые дуги и пульсирующие дуги. Когда дуги настолько далеки, что их наиболее яркие области скрыты под горизонтом, лишь слабое свечение выдает полярное сияние. Лучи иногда появляются отдельно или группами, порой неподвижно, порой мерцая. Нередко полярные сияния образуют «драпри»,— изящные изгибающиеся складки, движущиеся взад и вперед подобно занавеси или длинной юбке, развевающейся на ветру.
Когда дуги четко не выделяются, северную часть неба могут пересекать однородные или лучистые полосы. Иногда наблюдается только диффузная равномерно пульсирующая поверхность.
Наиболее интенсивные полярные сияния достигают зенита или даже заходят дальше и образуют прекрасную корону или
- 304 —
венец. Эта корона обычно появляется в виде ряда полосок» исходящих из темного центра, находящегося в направлении, куда указывала бы стрелка компаса, если бы она могла свободно двигаться не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Эту точку на небе называют магнитным зенитом.
Рис. 188. Большая солнечная вспышка 25 июля 1946 г.—снимок в линии водорода; 17 час. 30 мин. по мировому времени; см. также рис. 187. Заметна необычная спиральная симметрия относительно биполярной группы пятен. (Д’Азамбужа, Медонская обсерватория.)
Во многих светящихся рекламах, например, красных неоновых лампах, разгоняемые в газе электроны достаточно сильно сталкиваются с атомами неона, чтобы заставить их излучать. Полярные сияния возникают, когда солнечные протоны и электроны сталкиваются с различными атомами и молекулами воздуха верхних слоев земной атмосферы. Характерное зеленое
х/2 20 Наше Солнце
305 -
свечение вызывается главным образом кислородом. В некоторых условиях атомы кислорода могут также излучать красноватый свет. Наиболее обильный в земной атмосфере газ — азот может давать темно-красное свечение.
Вспышки и другие проявления солнечной активности выбрасывают протоны и электроны, вызывающие полярные сияния. В течение долгого времени имелись лишь косвенные указания на связь полярных сияний с солнечными явлениями. Но за последние несколько лет Мейнел, Гартлейн и другие обнаружили, что иногда в полярных сияниях наблюдается свечение самого легкого элемента — водорода. Спектральные наблюдения доплеровских смещений показали, что водород, в отличие от^азота и кислорода, которые представляются неподвижными, несется к нам со скоростью от 400 до, возможно 3000—5000 км!сек. Эти* наблюдения! непосредственно подтверждают существование облаков газа, движущихся от Солнца к Земле.
Многие возмущения земного магнитного|поля часто сопровождаются интенсивными полярными сияниями. Стрелка обычного компаса показывает направление на северный магнитный полюс. Однако если компас очень чувствителен, можно заметить, что на самом деле стрелка никогда не остается в покое. Она слегка поворачивается сначала на восток, а затем на запад, совершая очень правильное колебание за 24 часа. Обычно это движение очень мало. Кончик десятиметровой стрелки компаса сместился бы в течение дня меньше, чем на сантиметр. Но полная величина смещения и связанные с нею более мелкие флуктуации иногда день ото дня сильно меняются. Дни, когда стрелка совершает бол ьшие колебав и я, н азы ва юте я магнитовозмущенными.
Распределение полярных сияний по поверхности Земли показывает, что они тесно связаны с магнетизмом. Первые теории полярных сияний, основанные на солнечном и земном магнетизме, восходят к 1900 г., когда норвежские ученые Биркеланд и Штермер выполнили основные исследования свойств полярных сияний в лаборатории, на местности, а также математически.
Штермер детально рассмотрел, как электрически заряженная частица, скажем, электрон, ^преодолевает расстояние от Солнца до Земли, захватывается земным магнитным полем и вызывает] полярное сияние. Он показал, как* магнитное^ поле направляет движение электрона к Земле. Оказывается, что при этом электрон обвивается по спирали вокруг силовой линии.
Особенно важно подчеркнуть, что электрон, мчащийся*по своему пути от Солнца к Земле, каким бы образом его движение ни контролировалось магнитным полем, совсем не получает энергии движения от магнитного поля. Электрон должен иметь возможность пройти весь путь за счет первоначального «толчка», полученного от Солнца. Магнитное поле — лишь «направляю
~ 306 -
щая», вокруг которой обвиваются электроны. Там, где поле слабое, спираль широкая; в сильном поле спираль накручивается туго. Чем быстрее движется частица, тем меньше витков она успеет сделать на пути от Солнца до Земли.
Частицы с небольшими энергиями, выброшенные Солнцем, движутся по направляющим, подобно тому, как изображено на рис. 189. Заряженные частицы никогда не достигают земного
Рис. 189. Путь электрона: небольшой энергией в магнитном поле Земли (по^Штермеру)
экватора. Фактически они должны концентрироваться в очень узком кольце вокруг магнитного полюса Земли. Штермер сразу понял, что его элементарная теория требует доработки, чтобы объяснить положение зон полярных сияний. Поэтому он предположил, что электроны обладают большей энергией, так как вместо того чтобы попасть в область, близкую к полюсу, они входят в атмосферу на расстоянии от него 23е, образуя зону полярных сияний, как показано на рис. 190.
Сидней Чэпмен показал, что представление Штермера о выбросе Солнцем большого количества электронов в направлении к Земле несовместимо с другими данными; например, покидая Солнце, каждый электрон уносит с собою отрицательный заряд. Поэтому чем большее количество электронов испускает Солнце,
— 307 —
20*
тем больший положительный заряд оно должно получить. Хорошо известно, что противоположные электрические заряды притягиваются. Не успеет небольшое количество электронов покинуть Солнце, как положительный заряд, образовавшийся на его поверхности, увеличится настолько, что станет препятствовать дальнейшему «убеганию» электронов. Действительно, все электроны, которые могут покинуть Солнце, способны вызвать лишь одну вспышку свечения продолжительностью менее минуты. Поэтому теория Штермера, по-видимому, неспособна объяснить огромную энергию и светимость полярных сияний.
Рис. 190. Путь электрона с большой энергией п магнитном поле Земли (по Штермеру).
Чэпмен и его сотрудник Ферраро разработали теорию о газовых облаках, выбрасываемых Солнцем. Вследствие выброса газа каждый отрицательный электрон сопровождается ионом — положительно заряженной остальной частью атома, от которого электрон был оторван. В теории Чэпмена большие облака ионизованного газа заменяют потоки электронов, движение которых рассчитывал Штермер.
Чэпмея показал, что если такое облако частиц выбрасывается из Солнца подобно струе воды из шланга медленно вращающегося пожарного судна, то получится картина, подобная изображенной на рис. 191. Солнце совершает полный оборот за 27 суток.
— 308
Поскольку области на экваторе движутся слегка быстрее, чем
на промежуточных широтах, одним рисунком нельзя изобразить
для любого случая, как п роисходит вращение Солнца. Однако это вращение значительно быстрее, чем движение Земли по своей орбите. Следовательно, всякое облако газа, выброшенное Солнцем, опишет, как показано на рисунке, дугу и настигнет Землю сзади.
Чэпмен и Ферраро, а также подробнее Д. Ф. Мартин из Австралии показали, что на значительных расстояниях от Солнца облака движутся почти беспре-п ятственно. Магнитные поля в пространстве настолько слабы, что они не могут служить для облаков «направляющими рельсами», как полагал Штермер. Фактически движущийся газ «прорывается» сквозь любое имеющееся магнитное поле и, если продолжить аналогию с «рельсами», сходит с рельс и мчится через пространство, почти не встречая препятствия со стороны магнитных силовых линий. Точнее, рельсы будут вытягиваться, никогда не открывая пути. Единствен-
Рис. 191. Три стадии окружения Земли солнечным газовым ’ потоком согласно Чэпмену. Следует отметить, что магнитное поле Земли является как бы защитной оболочкой.
но возможное действие
магнитного поля может свестись к фокусировке, стремящейся удержать облако от рассеяния.
- 309 —
Рис. 192. Схема возникновения полярного сияния согласно- Мензелу. Газовые облака, встречаясь ’с Землей, «вдавливают» ее 'магнитное поле.
Такое облако ионизованного газа не может дойти до самой Земли. На расстоянии трех-четырех земных диаметров от поверхности Земли облако разделяется, огибая Землю. Это происходит под действием магнитного поля Земли, которое как бы «поднимает космический зонтик» для защиты от дождя из ионизованного солнечного газа. Таким образом, в идеальном случае вещество никак не может проникнуть к поверхности Земли; тогда ы не было полярных ияний.
Автором были выполнены расчеты на основе новой теории, называемой магнитогидродинамикой. Оказалось, что простые условия имеют место только тогда, когда газовое облако совершенно однородно и лишено каких-либо заметных сгустков газа. Если края такого облака резкие и неправильной формы, то оно сильно натягивает земной «магнитный зонтик». Магнитные силовые линии гибки и эластичны. Как и зонтик во время шторма, магнитное поле может как [бы «вывернуться наизнанку». Если это случится, «зонтик» уже не сможет больше защищать Землю
— 310 —
от «бури» солнечного газа. «Сдутый» на сторону, он становится «воронкой», как показано на рис. 192, а и Ь.
Наиболее слабая часть «зонтика» расположена на послеполуденной и вечерней стороне Земли, поскольку ионизованные облака стремятся «захватить» Землю с этой стороны. Однако наибольшая полость образуется в полярных областях, где силовые линии («спицы зонтика») простираются дальше всего. Таким образом, «магнитный зонтик» Земли почти полностью «уходит» внутрь полярных зон. В период особенно большой солнечной активности массивное или плотное облако газа доходит до пас, вдавливая магнитные силовые линии в более низкие широты; воронка при этом открывается шире, и большее количество вещества засасывается внутрь, как в гигантском пылесосе (рис. 192, с).
У Земли воронка кончается длинным и узким отверстием, расположенным примерно вдоль магнитных параллелей. Поэтому вещество, устремляющееся вниз через воронку, концентрируется и образует сплошные «занавеси» или, если оно распределено неравномерно, серию пульсирующих лучей.
Наблюдениями, выполненными с искусственных спутников, обнаружено наличие двух радиационных поясов частиц с высокой энергией (ионов и электронов), по-видимому, «вмороженных» в магнитное поле Земли. Эти так называемые пояса Ван Аллена, как указал Голд, возможно, тоже играют роль в образовании полярных сияний. Поскольку выбросы солнечного вещества сталкиваются с Землей, искажая ее внешнее магнитное поле, внутри оно также меняет свою форму. При этом пояса с «вмороженными» в них частицами смещаются, в итоге иногда приобретая энергию, достаточную, чтобы проникнуть в земную атмосферу и вызвать полярные сияния х).
Количество радиации, по крайней мере во внешнем из поясов Ван Аллена, по-видимому, претерпевает значительные флуктуации. Солнечное корпускулярное излучение, очевидно, нагревает внешние слои земной атмосферы, вызывая большую ее протяженность вверх. Яччиа показал, что искусственные спутники Земли, проходя через ионосферные слои, встречают большее сопротивление атмосферы в эпоху максимумов солнечной активности.
В августе—сентябре 1958 г. ученые Соединенных Штатов произвели под зашифрованным названием Аргус эксперимент, который многими рассматривается как наиболее замечательный в истории* 2). Три водородные бомбы были взорваны в верхних
х) См. примечание на стр. 301.
2) Как известно, операцией «Аргус» главным образом преследовались отнюдь не научные цели, а выполнение программы военных исследований США. (Прим, перев.)
- 311 -
Слоях ионосферы на высоте около 480 километров над поверхностью Земли. В результате этих взрывов был «впрыснут» ионизованный водород в атмосферу на этой высоте, проявивший себя как «вмороженный» в магнитное поле Земли газ в поясах Ван Аллена, «впрыскиваемый» из активных областей Солнца. После этого эксперимента произошли интенсивные полярные сияния. Некоторые ученые, не посвященные в этот секрет, догадались, что произошел атомный взрыв, по линиям лития, наблюдавшимся в спектрах этих сияний. (Литий как плавкий элемент обычно является ингредиентом водородной бомбы.)
Каждый должен увидеть полярные сияния — разнообразные, постоянно меняющиеся явления необычайной красоты. Когда на небе «полыхает» полярное сияние, вспомним суеверный ужас, в течение многих веков вызывавшийся этим явлением. Мы можем наслаждаться его великолепием, ибо знаем, чем оно вызвано, и понимаем, что это не сверхъестественное видение или небесное знамение. Пока еще мы не можем точно его предсказывать, как например, солнечные затмения, которые некогда также вызывали трепет и ужас. Несмотря на это, мы значительно продвинулись вперед в понимании природы Солнца и того, как магнитные поля Солнца и Земли контролируют движения газов от Солнца к Земле.
Предсказание магнитных бурь
Известно, что геомагнитные и ионосферные возмущения, а также яркие полярные сияния бывают чаще и сильнее в эпоху максимума солнечных пятен, чем во время минимума. Однако их корреляция с отдельными пятнами не такая четкая. Большую часть самых сильных возмущений можно приписать отдельным большим пятнам, проходящим в это время через центральный меридиан Солнца, а также очень сильным вспышкам, происшедшим за один-два дня до возмущения. Но обратного соотношения не наблюдается. Множество других пятен таких же размеров и столь же активных проходят по диску Солнца, не вызывая геомагнитных возмущений; бывают также сильные вспышки, не имеющие соответствующих последствий на Земле.
Поскольку указанная связь существует лишь в одном направлении, приходится заключить, что сами по себе солнечные пятна не являются основной причиной геомагнитных возмущений. В соответствии с этим последние исследования преследовали цель изучить различные свойства солнечных пятен и установить некоторые критерии, позволяющие различать пятна, вызывающие бури, от тех, которые просто предшествуют им. Таким путем удалось кое-что узнать, но полностью этот вопрос
- 312 -
еще не решен. Так, например, Ньютон показал, что пятна, в которых чаще происходят вспышки, с большей вероятностью вызывают геомагнитные возмущения, чем пятна, в которых вспышек в среднем бывает меньше. Дэнис и его сотрудники нашли, что пятна, сопровождающиеся усилением радиоизлучения внутренней короны на частоте около 168 мегагерц, обычно вызывают геомагнитные возмущения; те же пятна, которые не связаны с увеличением радиоизлучения Солнца, обычно проходят через центральный меридиан в периоды необычайно спокойных геомагнитных условий. Белл и Глезер обнаружили, что возмущения скорее порождают пятна со сложными (у) магнитными полями (см. стр. 116), чем простые биполярные ф) и униполярные (а) пятна.
Эти результаты соответствуют новейшим представлениям о солнечных пятнах, согласно которым магнитные поля скорее подавляют, чем усиливают обычную конвекцию в солнечной атмосфере (стр. 126). На периферии больших пятен следует ожидать усиление конвекции, компенсирующее ослабление излучения в темной области пятна. Возможно, сложные магнитные поля наиболее активных пятен являются скорее результатом, чем причиной такой конвекции. Турбулентность может «запутать» магнитные силовые линии и связанные с ними электрические токи, придавая им сложный неправильный характер. Но многое еще предстоит сделать, прежде чем удастся достаточно точно предсказывать магнитные бури и ионосферные возмущения.
Имеется один постоянный эффект, который с несомненностью говорит о существовании узких корпускулярных потоков, движущихся от Солнца к Земле. Это — тенденции магнитных бурь повторяться с довольно правильным периодом около 27 дней. Эта цифра близка к среднему периоду вращения зоны солнечных пятен. Если Солнце подобно медленно вращающейся пожарной лодке с направленными в разные стороны шлангами, следует ожидать, что каждый раз, как шланг повернется в нашу сторону, будет обнаружен поток корпускул.
27-дневная повторяемость магнитных бурь заметнее по менее сильным, чем по мощным бурям; она ярче выражена во время спада солнечной активности, а не тогда, когда пятен много. Повторяющиеся бури умеренной силы в отличие от больших бурь, о которых только что говорилось, лишь изредка сопровождаются появлением крупных пятен на Солнце. Более того, как показал Аллен, они обладают тенденцией избегать больших пятен. Иногда они происходят, когда на диске Солнца совсем нет пятен. Бартелс назвал таинственные области Солнца, вызывающие эти магнитные возмущения, М-областями. Долгое время не удавалось отождествить М-области с какими-либо определенными образованиями на Солнце.
21 Наше Солнце
- 313 -
Обычные протуберанцы, по-видимому, не вызывают заметных геомагнитных возмущений. Делались попытки связать М-области с яркими образованиями в короне. Существует определенная связь между областями свечения зеленой корональной линии, факелами и общим распределением пятен. Пирс и Вальд-майер, независимо друг от друга, показали, что изменение ионосферы во время полных солнечных затмений, когда Луна одну за другой закрывает яркие области короны, по-видимому, говорит о том, что обычное ионизующее излучение скорее приходит от этих областей, чем от солнечной поверхности. Состояние ионосферы во время затмения изменяется не непрерывно. Приборы записывают резкие скачки всякий раз, когда Луна закрывает какую-либо яркую область короны.
Однако новейшие исследования свидетельствуют о существовании отрицательной связи между яркими корональными областями и периодическими земными возмущениями умеренного характера. Поскольку эффекты во время затмений вызываются электромагнитным излучением, тогда как магнитные бури — следствие корпускулярных потоков, оба результата не противоречат друг другу. Из наблюдений в эпоху спада двух циклов солнечных пятен в 1942—1944 и 1950—1953 гг. некоторые ученые нашли, что после того как яркая область короны пересекала центральный меридиан Солнца, чаще наступали не бури, а периоды необычайного спокойствия. Из наблюдений в тот же период Белл и Глезер, а также Бруцек установили, что над М-областями, по-видимому, необычайно ослаблено излучение зеленой корональной линии. Они нашли, что магнитные бури имеют тенденцию возникать через 1—4 дня после прохождения через центральный меридиан областей с необычайно слабым свечением зеленой корональной линии. Поскольку яркость этой линии связана с плотностью газов в короне, Белл и Глезер предположили, что Л4-области, вероятно, отличаются низкой плотностью вещества в короне; кроме того, имеет место обратная зависимость между плотностью газа в обращенной к Земле части короны и плотностью корпускул вблизи Земли. Бэбкоки предполагают, что участки солнечной поверхности со слабыми униполярными магнитными полями, возможно, и являются М-областями и что этот характер поля способствует выбросу потоков корпускул.
Связь интенсивности корональной линии с геомагнитными явлениями, в том числе и с полярными сияниями, о которых только что говорилось, по-видимому, ослабляется в периоды минимумов солнечных пятен и возобновляется только в последние 3—4 года цикла пятен.
На всех стадиях цикла солнечных пятен активность геомагнитных бурь и полярных сияний, а также ионосферные воз
- 314 -
мущения обнаруживают ярко выраженные максимумы в марте и сентябре и минимумы в июне и декабре, что иллюстрируется рис. 193. Для объяснения этого явления были высказаны две гипотезы, которые можно назвать «равноденственной» и «осевой». Согласно первой из них предполагается, что Земля сильнее реагирует на солнечные корпускулярные потоки в периоды равноденствий. Вторая гипотеза исходит из того факта, что плоскость
Рис. 193. Среднемесячные значения Кр—индекса меры общего геомагнитного возмущения — для трех фаз цикла солнечных пятен: Л) максимум, В) спад и С) минимум. (Белл и Глезер.)
земной орбиты наклонена на 7°,2 к плоскости солнечного экватора. Гелиографическая широта Земли меняется от 7°,2 к северу от солнечного экватора в начале сентября до 7°,2 к югу в начале марта (см. рис. 25). В сентябре мы видим наибольшую часть северного полушария Солнца, а в марте — южного. Это примерно соответствует периодам наибольшей геомагнитной активности. Когда Земля пересекает плоскость солнечного экватора, геомагнитная активность наименьшая. Таким образом, согласно «осевой» гипотезе предполагается, что солнечные корпускулы легче всего достигают Земли, когда она дальше всего, уходит от плоскости солнечного экватора. Пятна и яркие области короны чаще всего бывают на гелиографических широтах 5—25°, тогда как вблизи самого экватора пятен мало. Если корпускулярные потоки начинаются в зонах пятен и покидают солнечную*
21*
- 315 -
поверхность в радиальном направлении, то корпускулы северного и южного поясов легче всего достигнут Земли соответственно в сентябре и марте.
Возможно, что обе гипотезы, как равноденственная, так и осевая, справедливы. Белл и Глезер получили наилучшую корреляцию между состоянием геомагнетизма и яркостью корональной линии в областях, расположенных по ту сторону солнечного экватора, где находится и Земля. Вместе с тем, корреляция с короной на противоположной стороне экватора ничтожна. С другой стороны, сильные магнитные бури примерно одинаково часто связаны с пятнами, расположенными по обеим сторонам солнечного экватора.
Отождествление М-областей и отыскание наилучших критериев для определения того, какие солнечные пятна вызывают магнитные бури, имеет большое практическое значение. Только тогда можно будет с некоторой степенью надежности предсказывать наступление геомагнитных возмущений. Радиостанции смогут тогда планировать программы своих передач и выбирать рабочие частоты, имея при этом большую уверенность, что их сообщения переданы надежно. Изучение Солнца уже сделало значительный вклад в решение этих проблем радиосвязи.
Космические лучи
Выше упоминалось о значительном усилении космических лучей, связанном с солнечной вспышкой 23 февраля 1956 г. Хотя эта вспышка и была значительно интенсивнее других, раньше наблюдались четыре «всплеска» космических лучей: первый 28 февраля 1942 г., остальные — 3 марта 1942 г., 25 июля 1946 г. и 19 ноября 1949 г.
Но прежде всего нужно ответить на вопрос: что такое космические лучи? Коротко говоря, это — лишенные электронов атомные ядра, движущиеся с огромными скоростями, доходящими почти до скорости света. Все они обладают очень большими энергиями, даже те, которые называются лучами сравнительно «низких энергий». Большинство из этих частиц — протоны, но обнаружено также небольшое количество и более тяжелых ядер. Космические лучи, как говорит само их название, приходят на Землю от неизвестных источников, расположенных во внешнем пространстве. Так как это — заряженные частицы, магнитное поле Земли, а также магнитные поля межпланетного пространства влияют на их движения. Только частицы с относительно большими энергиями могут преодолеть земной «магнитный барьер» у экватора, тогда как частицы с меньшими энергиями проникают только в более высоких широтах. Относительное ко
- 316 -
личество космических лучей различных энергий можно определить, изучая изменение их интенсивности с широтой.
Космические лучи с большой энергией обладают огромной проникающей силой и проходят через толщу бетона в несколько метров. Даже большое здание не может служить надежной защитой от самых энергичных космических лучей. Хотя вы и не замечаете этого, многие из таких космических «ядер» ежесекундно проходят сквозь ваше тело.
Происхождение космических лучей — одна из самых увлекательных, еще не решенных загадок современной науки. Где во вселенной частицы могут приобретать столь поразительно большие энергии, чтобы двигаться почти со скоростью света? В задачу настоящей книги не входит рассмотрение разнообразных теорий, связанных с этой проблемой; мы сделаем всего лишь несколько замечаний, касающихся Солнца.
Космические лучи с большой энергией заведомо не солнечного происхождения; солнечная активность не оказывает на них влияния. Предполагается также, что из космических лучей малой энергии, попадающих на Землю днем, лишь немногие, к тому же далеко не всегда, солнечного происхождения. Однако из упомянутых в начале этого раздела пяти случаев наблюдавшегося усиления космических лучей в связи со вспышками видно, что хотя бы в редких случаях Солнце испускает космические лучи малых энергий. Голд предположил, что и другие сильные вспышки, возможно, также излучали космические лучи, которым, однако, не удалось в заметном количестве достигнуть Земли вследствие неблагоприятной конфигурации магнитных полей в межпланетном пространстве.
Кроме того, Солнце, по-видимому, косвенным образом влияет на плотность частиц в космических лучах. Одно явление, наблюдаемое чаще, чем упомянутые пять усилений космических лучей за последние 14 лет, называется эффектом Форбуша. Оно заключается в наступающем иногда уменьшении на несколько процентов количества космических лучей малых энергий и длится несколько часов, после чего начинается еще более медленный процесс восстановления интенсивности космических лучей до нормального уровня. Это явление часто, хотя и далеко не всегда, связано с магнитными бурями и, без сомнения, обусловлено солнечной активностью. Симпсон и его сотрудники из Чикагского университета наблюдали также 27-дневное периодическое уменьшение на несколько процентов интенсивности космических лучей малых энергий.
Моррисон, Голд и другие ученые считают, что Солнце является косвенной причиной этих двух типов уменьшений интенсивности космических лучей. Предполагается, что причиной является выброс из Солнца газового облака, содержащего
- 317 —
магнитное поле, которое быстро расширяется в околоземном пространстве. Расширяющееся магнитное поле имеет тенденцию отклонять космические лучи, тем самым до известной степени экранируя Землю.
Рис. 194. Расположение станций ночного вертикального зондирования, зарегистрировавших ионосферные возмущения и усиление космических лучей, связанные со вспышкой 23 февраля 1956 г. (Национальное бюро стандартов.)
Два других явления тоже можно объяснить экранирующим действием расширяющихся намагниченных солнечных облаков.
- 318 —
Форбуш нашел, что в течение цикла солнечных пятен количество космических лучей малых энергий несколько изменяется, причем обратно числу пятен. Амплитуда этих вариаций больше для лучей с меньшими энергиями. Кроме того, минимальная энергия
Рис. 195. Ионосферное возмущение, связанное с большой вспышкой 23 февраля 1956 г.; по горизонтальной оси отложено время начала интенсивного поглощения ионосферы, зарегистрированное различными станциями, указанными на рис. 194. (Национальное бюро стандартов.)
космических лучей, наблюдавшихся в эпоху минимума солнечных пятен, меньше, чем в эпоху максимума. В периоды большой активности Солнце «выбрасывает» много облаков расширяющегося намагниченного газа, совместное действие которых на несколько процентов уменьшает количество космических лучей низких энергий. Отсутствие этих облаков во время минимума солнечных пятен позволяет проникать на Землю менее энергичным частицам. Ионосферные наблюдения во время упоминавшейся вспышки 23 февраля 1956 г. весьма поучительны. Рост поглощения в ионосфере скорее всего вызывается приходящими от Солнца ионами и электронами. То обстоятельство, что явление было зарегистрировано станциями, расположенными на ночном полушарии Земли (рис. 194), указывает на имевшее место отклонение, очевидно, вызванное наличием магнитных полей в межпланетном и околоземном пространстве. На рис. 195 указано время наступления полного поглощения в ионосфере. Видно, что облака, вызывающие возмущения, позже достигают высоких магнитных широт, чем более низких. Заметно также, как легко облака проникают в зону полярных сияний на широтах
- 319 -
около +70*. Рис. 196 показывает, что полная непрозрачность ионосферы для радиоволн длится дольше на более высоких геомагнитных широтах.
Часы
Рис. 196. Продолжительность полного поглощения, связанного со вспышкой 23 февраля 1956 г. См. рис. 194 и 195. (Национальное бюро стандартов.)
Прогноз погоды
Солнечные вспышки влияют не только на ионосферу, но и на другие слои нашей атмосферы, расположенные на высоте от 24 до 48 км над поверхностью Земли. Здесь в значительном количестве содержится озон. Это — газ, поглощающий солнечный свет в далекой ультрафиолетовой области спектра, о чем уже говорилось выше. По-видимому, этот слой играет большую роль во многих отношениях. Одним из его свойств является поглощение значительной доли ультрафиолетовой энергии, которая нагревает слой озона. Некоторые метеорологи полагают, что попеременное нагревание и охлаждение этого слоя является механизмом передачи солнечных возмущений в более низкие слои земной атмосферы, которые определяют погоду на Земле.
Погода! Астрономы могут предсказать с точностью до нескольких секунд затмение, которое произойдет через столетие. Метеорологи же не уверены в погоде даже на завтра. В чем
- 320 —
причина такого несоответствия в точности предсказаний двух различных явлений природы?
Дело в том, что расчеты затмений основаны на движении лишь небольшого числа небесных тел: Солнца, Луны, Земли и отчасти других планет. Главным законом движения при этом является только закон всемирного притяжения. В случае же прогнозирования погоды приходится иметь дело с мириадами молекул земной атмосферы. Притяжение оказывает на них некоторое влияние, но помимо этого имеется бесчисленное множество других
Рис. 197. Кольца дерева и циклы солнечных пятен. Эберс-вальдская сосна (Германия), у которой заметно усиление роста в период максимумов солнечных пятен. (Дуглас.)
факторов: нагревание солнечными лучами, меняющийся характер облачности, наличие ветров, общая циркуляция воздуха в земной атмосфере, влияние гор и плоскогорий, влияние вращения Земли. Помимо всего этого, прогноз на будущее сильно зависит от того, что было раньше.
Мы не знаем, как изменения, происходящие на Солнце, влияют на погоду. Однако большинство метеорологов не сомневаются, что циклы солнечных пятен так или иначе влияют на общий характер изменения погоды.
Несомненно, Солнце является одним из главных факторов, влияющих на погоду. Это доказывается простой сменой времен года. Зима наступает, когда солнечные лучи падают косо на
— 321 -
Землю, а лето — когда их направление ближе к вертикали, вследствие чего большее тепло концентрируется на меньшей площади. Ежегодно относительное положение Земли и Солнца повторяется в точности. Однако из года в год погода никак не остается постоянной. Зимы бывают то теплые, то холодные, летом то влажно, то сухо. Могут ли подобные изменения в какой-то степени зависеть от изменений на Солнце?
А. Э. Дуглас из Аризоны нашел, по-видимому, одно из самых убедительных подтверждений существования подобной зависимости. Он собрал поперечные распилы множества древесных стволов из тысячи различных мест, начиная от спиленных только сейчас, вплоть до тех, которые произрастали миллионы лет назад. Годичные кольца стволов являются естественными регистраторами погоды. Широкое кольцо свидетельствует о благоприятном вегетативном сезоне, вероятно, достаточно теплом и с обильными дождями; узкое — говорит как раз об обратном. Интересно отметить, что все деревья данной местности дают одни и те же указания на погоду. Сравнение двух данных деревьев должно, разумеется, учитывать, возможно, неодновременное
Рис. 198. Рост деревьев (верхняя кривая) и число солнечных пятен (нижняя), по исследованиям живых деревьев Англии, Норвегии, Швеции, Германии и Австрии. Кривая роста деревьев имеет большие максимумы вблизи максимумов солнечных пятен, а также более слабые вторичные максимумы, приблизительно посредине между ними. Оба максимума в пределах одного 11-летнего периода соответствуют ходу кривых общего выпадения осадков, отличающихся той же периодичностью. (Дуглас.)
начало их жизни. Таким путем, сопоставляя серии частично перекрывающих друг друга данных, Дугласу удалось расширить наши сведения о погоде на тысячи лет назад.
По древесным стволам видно, что Земля в течение изученных таким образом прошлых столетий претерпела много циклов изменения погоды. Более того, кажется, что вид колец отображает 11-летние циклы солнечных пятен. Типичный пример древесных колец дан на рис. 197.
- 322 -
Множество других метеорологических исследований указывает на существование 11- или 22-летней периодичности явлений погоды. С этим связаны следующие эффекты: повышение и понижение уровня озер, изменения атмосферного давления, количества осадков. Послед-
:. 199. В. О. Робертс — бывший ектор Высокогорной обсерватории Колорадского университета.
ние наблюдения Р. Крейга, Р. Шапиро, В. О. Робертса и его сотрудников говорят о том, что солнечная активность, определенная по геомагнитным возмущениям, тесно связана с большей частью изменений погоды на всей поверхности земного шара.
Самое трудное в прогнозе погоды — на чем основывать предсказание? Обычно используется эмпирический метод, опирающийся на предыдущие сводки погоды. Метеорологические наблюдения позволяют найти определенные критерии, например, распределение температуры, давление воздуха, ветры; ищутся аналогичные условия в прошлом, и на их основе делаются прогнозы на будущее. Этот метод весьма эффективен, но он лишен какого бы то ни было обоснования, почему именно такая погода должна наступить.
Разумеется, не все современные способы прогнозирования полностью игнорируют вопрос о причине и следствии. Недавно Россби, Виллетт, Векслер и другие ученые предприняли новые метеорологические исследования, тщательно изучая различного рода движения воздушных масс: полярных, тропических и т. д. Например, Хорвиц находит связь между изменениями в слое озона и движениями воздушных масс.
Думается, что в дальнейшем солнечные исследования станут играть все большую роль в прогнозировании погоды. Наблюдения смогут увеличить точность прогнозов на ближайшее будущее. По-видимому, наибольшее их значение сведётся к улучшению долгосрочных прогнозов. Если, например, можно будет сказать, что следующий вегетационный период окажется жарким или холодным, влажным или сухим, поздним или ранним, какой ценной была бы подобная информация для жителей сельских
- 323 -
местностей. Они знали бы, что и когда сажать. Насколько меньше было бы тогда неурожаев!
В некоторых сельских районах до сих пор еще пользуются «высосанными из пальца» правилами, которые часто — не что иное, как суеверная бессмыслица. Примером может служить правило, весьма распространенное на юго-востоке Соединенных Штатов. Берут 12 дней, непосредственно следующих после Рождества, и замечают общий характер погоды в каждый из них; теплая, влажная и так далее. Затем считают, что погода в каждом из месяцев нового года будет определяться характером ее в соответствующий день. Такой способ наивен и абсолютно не научен. Этот пример приведен лишь для того, чтобы показать, какая острая необходимость существует в длительных прогнозах погоды.
Совершенствование прогнозирования погоды, как и предсказания нарушений радиосвязи, необходимо во многих отношениях. Особенно оно важно для сельского хозяйства и безопасности воздушного транспорта. Всякое увеличение надежности прогноза погоды или условий полета заведомо принесет пользу авиации, успешная работа которой так сильно зависит от всех этих явлений природы.
Между прочим, эти исследования дадут также ценную информацию и об условиях в верхних слоях земной атмосферы, через которые будут пролетать ракетные корабли будущего.
Еще о связи между Солнцем и Землей
Прежде чем закончить рассмотрение этого вопроса, хотелось бы коснуться еще нескольких приложений солнечных исследований. Уже неоднократно упоминалось об экранирующей роли озонного слоя для ультрафиолетового излучения. Энергия, которой все же удается пробиться сквозь этот слой, сильно влияет на жизнь на Земле. Одной из ее специфических особенностей является способность убивать бактерии. Известно, что количество озона меняется с циклом солнечных пятен. Более того, известно, что вследствие этого также несколько меняется и количество «смертоносного» ультрафиолета. Отсюда можно сделать вывод (обращаем внимание, еще не доказанный), что хорошо известные периоды различных эпидемий частично можно связать с изменчивостью Солнца.
В свое время предполагалось наличие различных значительно менее вероятных зависимостей, хотя сопоставление некоторых кривых выглядит убедительно. Это относится к периодическому росту и уменьшению численности некоторых пород диких животных, качества их меха, размножения насекомых и так далее. Как отметил де Люри, можно предположить, что ультра
— 324 —
фиолетовое излучение вызывает подобные периодические явления. Несомненно, вариации действительно имеют место и многие из них весьма грубо соответствуют циклам солнечных пятен. Однако даже точное совпадение не может еще служить доказательством непосредственной причинно-следственной связи. Необходимо открыть и выяснить подробности физических процессов, чтобы объяснить результаты статистики.
В качестве иллюстрации «больших возможностей» методов статистики приведем конкретный пример. Несколько лет назад один английский ученый решил изучить соотношение между рождаемостью и погодой. Он пришел к поразительному выводу, что в ясные дни рождается больше детей, чем в плохую погоду. Эти результаты были опубликованы. Один из коллег этого ученого, не видя логической связи в подобном соотношении, решил произвести проверку. Шаг за шагом проверил он выкладки, в которых не обнаружилось ошибок. Наконец, отчаявшись, он пошел в учреждение, предоставившее исходные данные. Все оказалось совершенно верным, за исключением только того, что чиновник нечаянно дал список не дат рождений, а дат регистрации рождений родителями! Статистика доказала всего-навсего, что люди не любят выходить из дому в плохую погоду!
Одно из много обсуждавшихся соотношений — уровень цен на бирже. Часто поднимался вопрос, имеют ли солнечные пятна некоторое влияние на колебания биржевых цен? Это далеко не новая мысль. Еще Вильям Гершель предполагал возможную связь между «пятнистостью» Солнца (числа солнечных пятен еще не были в ходу) и ценами на пшеницу. В качестве примера на рис. 200 даны две кривые, значительно расширяющие соотношение, полученное Гершелем. Одна изображает цену пшеницы, исправленную с учетом постепенного роста цен в течение большого промежутка времени, так что остаются только колебания цен. Другая — кривая солнечных пятен. На некоторых участках кривые поразительно хорошо совпадают; на других — значения противоречат друг другу.
Многие организации за известную мзду доставляют исследователям сведения о возможной цикличности изменений биржевых цен в связи с естественной периодичностью солнечных пятен, положения планет, сводок погоды и так далее. Поскольку как рыночные, так и природные явления имеют повышения и понижения, прогнозы одних из них на основании других до известной степени могут быть успешными в течение ограниченного периода времени, в тот момент, когда кривые случайно совпали. Итак, большинство данных — против реальности какой бы то ни было связи. Временный успех в большой степени — дело случая.
Многие ученые считают, что существование подобных связей совершенно не доказано. Цены на бирже — слишком сложное
- 325 -
явление, зависящее от спроса и предложения, налогов, за-конодательства и такого множества других общественных явлений, что невозможно проследить в них солнечное влияние. Если же это последнее и играет известную роль, приходится предположить более непосредственную связь с подобными явлениями, например, с обилием сырья, которое меньше искажено влиянием людей.
гах пятно
Рис. 200. Циклы солнечных пятен и цены на пшеницу.
Учитывая пользу от изучения солнечных явлений, подобную той, о которой говорилось выше, необходимо продолжать обширную программу солнечных исследований, привлекая новейшее оборудование и организуя наблюдения с помощью ракет и искусственных спутников Земли, и может быть, даже с Луны. Программа исследований должна придавать особое значение таким вопросам, как изыскание новых показателей солнечной активности. Она должна преследовать цель дать глубокое теоретическое объяснение физической природы связи между Солнцем и Землей.
Некоторые из затронутых в этой главе вопросов весьма отвлеченны, другие — сугубо практические. Мы мечтаем о том, чтобы исследования Солнца могли играть практическую роль.
— 326 —
Рис. 201. Солнце 13 марта 1959 г. а) Первый снимок Солнца в ультрафиолетовой линии водорода лайман-альфа, 1215 А, был получен Ж. Д. Перселлом, Д. М. Пеккером и Р. Таузи. (Исследовательская лаборатория Военно-морских сил США.) Фотография с ракеты получена на высоте 200 км над пустыней Уайт Сендс. Разрешающая сила инструмента составляла около 1/2 минуты дуги. Север — вверху, восток — справа. (Официальная фотография Военно-морского ведомства США.) Ь) Для сравнения — спектрогелиограмма в линии К ионизованного кальция (Обсерватория Мак-Мас—Халберт); с) обычная фотография в линии На (Исследовательская лаборатория Военно-морских сил.); d) снимок, сделанный в белом свете. (Обсерватория Военно-морских сил США.)
В будущем человек сможет смотреть на Солнце’не только как на источник света и тепла и не суеверными глазами астролога, а с твердой научной уверенностью, что в солнечном свете jrrpa-жаются грядущие события.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие переводчика ....................................... 3
Посвящение .................................................... 5
Из предисловия автора ......................................... 6
1.	Встреча с Солнцем......................................... 7
2.	Панорама солнечных явлений............................... 25
3.	Свет, атомы и приборы.................................... 43
4.	Солнечный свет — вестник	............................... 63
5.	Химия Солнца ............................................ 83
6.	Солнечные пятна — магнитные острова...................... 99
7.	Детали солнечной поверхности............................ 131
8.	Протуберанцы — гейзеры и вулканы........................ 161
9.	Тайна короны ........................................... 185
10.	Солнечные затмения — старые и новые..................... 219
11.	Атомная энергия и недра	Солнца........................... 249
12.	Солнце и вселенная ...................................... 263
13.	Солнечная энергия и потребности человечества............ 279
14.	Солнце и Земля .......................................... 293
Цена 79 коп.