/
Автор: Кононович Э.В.
Теги: солнечная система звезды солнце астрономия космические тела пособие для учащихся серия мир знаний
Год: 1982
Текст
МИР ЗНАНИЯ
эвкононович
Солнце-
дневная звезда
Пособие для учащихся
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1982
ББК 22.652
К64
Рецензенты:
старший научный сотрудник НИИ
содержания и методов обучения,
кандидат физ.-мат. наук Страут Е. К.,
старший научный сотрудник Государственного
астрономического института им. П. К. Штернберга,
кандидат физ.-мат. наук Ю. Н. Ефремов.
Кононович Э. В.
К64 Солнце — дневная звезда: Пособие для учащих-
ся. — М.: Просвещение, 1982. — 112 с, ил.— (Мир
знаний).
В книге рассказывается о физической природе звезд на приме-
ре свойств ближайшей звезды — Солнца. Особое внимание уделяет-
ся самым различным взаимосвязям, проблеме происхождения веще-
ства и эволюции материи.
4306011100—288 241—82 ББК 22.652
14 103(03)-82 526
© Издательство «Просвещение», 1982 г.
scan: The Stainless Steel Cat
ПРЕДИСЛОВИЕ
fl овременная астрономия насквозь пронизана идеями об
эволюции природы. Если в биологии пока что рас-
сматривается эволюция материи только в пределах нашей
маленькой Земли и на протяжении «всего лишь» несколь-
ких десятков или сотен миллионов лет, то в астрономии
эти рамки необычайно расширяются.
Происхождение Земли и Солнечной системы давно
уже стало проблемой классической космогонии, исследо-
ванием которой занимались такие выдающиеся умы, как
Э. Кант, П. Лаплас, Д. Джине, О. 10. Шмидт, В. Г. Фе-
сенков и многие другие. Они сумели найти множество
остроумных космогонических гипотез, так что теперь про-
исходившее миллиарды лет назад перестает быть для нас
полной тайной. Но астрономы идут дальше, они выясня-
ют, как возникли звезды, что с ними будет потом, откуда
взялось и куда денется то вещество, из которого они со-
стоят, каково прошлое и будущее всей нашей Вселенной.
В этой картине эволюция звезд оказывается весьма суще-
ственным звеном развития всей природы, потому что в
звездах происходит очень медленный процесс образования
отдельных атомов почти всех химических элементов. Вот
почему так важно понять эволюцию звезд, выяснить их
основные физические особенности.
1*
3
Мы бы знали о звездах совсем мало, если бы не одна
из них, расположенная необычайно близко к нам. Это —
наше Солнце. Его мы знаем лучше, потому что оно «сов-
сем рядом» и с ним связана вся наша жизнь.
Рассказать просто о звездах, опираясь на Солнце, как
на близкий и знакомый образ,— цель данной книги. Мы
постараемся, используя только те знания, которые школь-
ник приобретает к концу девятого класса, обосновать важ-
ные физические особенности звезд, чтобы как можно мень-
ше читателю пришлось принимать «на веру».
Если задать наивный детский
вопрос, какие иг космических
объектов во Вселенной «самые
главные», я, не колеблясь, от-
вечу: звезды,
И. С. Шкловский
1. ЗВЕЗДЫ И ГАЛАКТИКИ
Как великолепно звездное небо в ясную безлунную
ночь где-нибудь вдали от города! Через все небо
тянется широкая бледная полоса Млечного Пути. В теле-
скоп видно, что она состоит из миллиардов звезд, каждая
звезда слишком слаба, чтобы ее различил невооруженный
глаз, но все вместе они дают заметное свечение (рис. 1).
Млечный Путь имеет клочковатую структуру. Его
очертания расплывчаты, с причудливыми выступами. По-
степенно он переходит в беспредельную темноту ночного
неба.
Причиной того, что подавляющее большинство слабых
звезд образует на небе широкую полосу, которая почти
точно идет вдоль большого круга небесной сферы, явля-
ются два замечательных обстоятельства: во-первых, окру-
жающие нас звезды составляют гигантскую плоскую звезд-
ную систему — Галактику, а во-вторых, мы вместе с на-
шим Солнцем находимся вблизи плоскости симметрии
всей этой системы.
Другие звездные системы — галактики — по своему
строению подобны нашей. Мы видим их под различными
углами к плоскостям симметрии, и потому одни из них
кажутся кругами, другие — эллипсами, т. е. проекциями
кругов, а некоторые — даже очень вытянутыми веретено-
образными фигурами с темной узкой полоской посереди-
не. Наша Галактика похожа на хорошо известную ту-
манность Андромеды (рис. 2).
Что касается расположения Солнца вблизи основной
плоскости Галактики, то этот факт оказывается не слу-
чайным. Он — следствие относительной молодости Солнца.
5
Большинство звезд в Галактике располагается в срав-
нительно тонком слое, называемом звездным диском.
Млечный Путь — это и есть звездный диск нашей Галак-
тики, видимый изнутри.
Темная узкая полоса, отчетливо заметная у галактик,
наблюдаемых с ребра,— это тонкий слой, состоящий из
газа и мелких твердых частиц, сильно поглощающих свет.
Их принято называть межзвездной пылью, хотя скорее
всего это льдинки или снежинки. В космическом простран-
стве вдали от звезд так холодно, что отдельные атомы
межзвездного газа соединяются в молекулы, а те, в свою
очередь, кристаллизуются в твердые частицы.
Тонкий клочковатый слой ныли вместе с относящими-
ся к нему звездами, как правило самыми молодыми и
горячими, называют плоской составляющей Галактики.
Рис. 1. Млечный Путь в направлении на центр Галактики:
вверху — фотография, внизу — схема расположения отдельных объектов.
Г)
Рис. 2. Туманность Андромеды.
У галактик, повернутых к нам своей плоскостью, осо-
бенно хорошо видно, что горячие звезды и окружающий
их светящийся газ образуют спиральные ветви.
Плоская составляющая нашей Галактики нам также
хорошо видна. Множество поглощающих облаков образует
вдоль средней линии Млечного Пути темную полосу, ко-
торая начинается от созвездия Лебедя и проходит через
созвездия Орла, Змеи, Стрельца и Скорпиона. Эта полоса
7
называется Большой развилкой Млечного Пути. Естест-
венно, что мы, находясь вблизи основной плоскости Га-
лактики, видим плоскую составляющую в виде узкой по-
лосы.
Если бы плоского слоя пыли не было, Млечный Путь
сиял бы гораздо ярче, а в направлении созвездия Стрель-
ца он был бы так ярок, что после Луны оказался бы са-
мым ярким из всех протяженных объектов ночного неба.
Там находится центр нашей Галактики, скрытый от нас
газово-пылевыми облаками. В окрестностях центра Галак-
тики сосредоточены сотни миллионов звезд, чуть ли не
целый процент всей ее массы.
Несмотря на большое количество пыли, поглощающей
яркое свечение центральной области Галактики, по мере
приближения к созвездию Стрельца Млечный Путь ста-
новится ярче и шире. Помимо множества слабых звезд
его сияние обусловлено свечением разреженных газовых
туманностей, возбуждаемых горячими звездами. На фоне
этих особенно ярких областей Млечного Пути порой вы-
ступают причудливые силуэты темных пылевых туманно-
стей. Эти туманности оказались вдали от ярких или горя-
чих звезд, способных вызвать свечение находящегося в
них газа. Поэтому они холодные и сами не излучают.
Газово-пылевая материя, которая пересекает нашу
звездную систему, имеет весьма любопытную природу, но
мы не будем подробно на ней останавливаться. Достаточ-
но сказать, что эта рассеянная в пространстве (диффуз-
ная) материя — в основном остаток того сверхгигантского
газового сгустка, из которого когда-то, десятки миллиар-
дов лет назад, возникла Галактика. Кроме того, межзвезд-
ное пространство постоянно пополняется газом, который
выбрасывают звезды. Для нас же важнее всего то, что из
этой газово-пылевой среды постоянно вновь рождаются
звезды. Точнее говоря, в звезды могут превратиться наи-
более плотные, компактные и первоначально, по-видимо-
му, холодные газово-пылевые облака. Уже давно подоб-
ные объекты, иногда наблюдаемые на фоне ярких газовых
туманностей, стали называть глобулами.
Чтобы плотное газово-пылевое облако начало сжимать-
ся в звезду под действием силы тяготения, необходимо
выполнение ряда условий. Масса облака должна быть до-
статочно велика, иначе гравитационные силы не смогут
противостоять силам внутреннего давления газа. Темпе-
8
ратура облака должна быть
достаточно низкой, иначе
внутреннее давление окажет-
ся слишком большим пре-
пятствием для гравитации.
Плотность облака должна
быть достаточно большой,
чтобы гравитационные вза-
имодействия между отдель-
ными его частями были до-
статочно сильны. Наконец, рис 3. Большая туманность
необходимо, чтобы в облаке в созвездии Ориона,
возникло некоторое цент-
ральное сгущение. Дальнейший процесс гравитационного
сжатия можно рассматривать просто как падение окру-
жающего вещества на это сгущение.
Может показаться, что одновременное выполнение всех
этих условий, а значит и звездообразование, происходит
слишком редко. Однако это не так. Дело в том, что целый
ряд обстоятельств постоянно способствует возникновению
в межзвездной среде неоднородностей, а это, как мы го-
ворили,— начало процесса звездообразования, порождаю-
щее выполнение рассмотренных выше условий.
Одна из ближайших к нам областей звездообразова-
ния — это газово-иылевой комплекс, находящийся в на-
правлении красивейшего зимнего созвездия Ориона и
включающий известную туманность Ориона (рис. 3). Три
яркие белые звезды, образующие «пояс Ориона» в сере-
дине этого созвездия, сравнительно недавно возникли в
этом комплексе.
Образ Ориона заимствован из греческой мифологии.
Орион — охотник, сражающийся с быком — Тельцом, пред-
ставленным соседним созвездием. Глаз этого быка — тем-
но-красная звезда, которую арабы назвали Альдебаран.
Похожая звезда имеется и в созвездии Ориона. Это Бе-
тельгейзе, одна из четырех звезд, образующих трапецию,
в которую вписывается вся фигура охотника.
Ниже и левее Ориона горит самая яркая звезда, наб-
людаемая в средних широтах северного полушария Зем-
ли, — Сириус. Это белая звезда с голубоватым оттенком —
главная в созвездии Большого Пса — спутника охотника.
На примере этой красивой области ночного неба не-
трудно установить, что яркие звезды не подчиняются за-
9
кономерности распределения слабых. Они встречаются бо-
лее или менее всюду, кое-где реже, кое-где чаще. Хорошо
запоминающиеся отдельные группировки звезд издавна
стали выделять в созвездия, очертания которых в разные
времена и у разных народов воспринимались как симво-
лы tex или иных образов, заимствованных из повседнев-
ного быта, легенд и мифов.
На рисунках 4 и 5 приведены изображения упоминав-
шихся созвездий из старинного атласа, изданного в XV в.
известным чешским астрономом Яном Гевелием.
Яркие звезды — это либо наиболее близкие объекты,
либо удаленные, но отличающиеся очень большой свети-
мостью. Эти звезды дают сравнительно много света и по-
тому их легче исследовать.
Даже беглое знакомство со звездным небом позволяет
легко заметить необычайное разнообразие звезд как по
количеству приходящего от них света, так и по его цвету
(спектральному составу). Следовательно, звезды должны
быть весьма различными и по своей природе.
Изучение галактик позволяет обнаружить важное свой-
ство распределения вещества во Вселенной, а именно то,
что подавляющая его часть сконцентрирована в звездах.
В течение XIX в. многие астрономы занимались обосно-
ванием этого факта. Сначала английский астроном Уиль-
ям Гершель построил свой гигантский телескоп и устано-
вил, что Млечный Путь состоит из слабых звезд. Но на
небе были еще и маленькие туманные пятнышки, относи-
тельно природы которых вопрос долгое время оставался
неясным. В начале XX в. американский ученый Хаббл до-
казал, что они тоже состоят из звезд и представляют со-
бой звездные системы, подобные нашей Галактике. Теперь
их называют внегалактическими (т. е. находящимися за
пределами нашей звездной системы) туманностями или
просто галактиками.
В настоящее время уже надежно установлено, что по
меньшей мере около 97—98% всего вещества Вселенной
сосредоточено в звездах. Почти все остальное вещество —
межзвездная газово-пылевая среда, представляющая собой
порождение звезд и материал для их возникновения. Сле-
довательно, в масштабах всей Вселенной звезды играют
огромную, ни с чем не сравнимую роль. Они являются
центрами средоточия масс в природе, служат как бы ги
гантскими кладовыми вещества.
10
Рис. 4. Созвездие Ориона из атласа Гевелия.
Рис. 5. Созвездие Тельца из атласа Гевелия.
Что же такое звезды?
Человек уже давно пытается ответить на этот вопрос.
Казалось бы все очень просто: звезда — это плотный газ,
который, будучи удален от всех других масс, под действи-
ем собственного притяжения принимает форму шара. Этот
газ подчиняется хорошо известным газовым законам, что
дало повод английскому астрофизику Артуру Эддингтону
сказать, что ничего нет проще, чем звезды. Но вот уже
около ста лет ученые бьются над загадками этой просто-
ты. Чем больше они узнают о звездах, тем больше в их
природе вскрывается нового, сложного и важного.
2. ЧТО МОЖНО УЗНАТЬ О ВЕЩЕСТВЕ ЗВЕЗД?
В отношении небесных тел «...мы представляем себе
возможность определения их форм, расстояний, размеров
и движений, но никогда, никакими средствами мы не смо-
жем изучить их химический состав, их минералогическое
строение, природу органических существ, живущих на их
поверхности». Автор слов, приведенных выше,— извест-
ный французский философ Огюст Конт. Высказывание,
которое мы только что процитировали, относится к
1835 г., а через 24 года немецкие физики Кирхгоф иБун-
зен открыли спектральный анализ и опровергли Конта.
Метод спектрального анализа позволяет изучать уда-
ленные объекты. Его сила в том, что он основан на свой-
ствах излучающих атомов.
Если атом возбудить, т. е. сообщить ему энергию, то
он сможет затем ее излучить. Излучаемые отдельными
атомами электромагнитные волны обладают определенны-
ми частотами, а следовательно, и длинами волн.
При этом для атомов каждого химического элемента
характерен свой, определенный набор таких частот (длин
волн), называемый спектром данного элемента.
С изменением условий, скажем температуры, спектр
может сильно измениться, например, если атом потеряет
один или несколько своих электронов, изменит свою ва-
лентность и станет ионом. Для каждого вида атомов или
ионов спектр — нечто вроде паспорта, по которому их
легко узнать.
Количество энергии, излучаемой атомами в каждом
конкретном случае, также очень чутко реагирует на изме-
нение физических условий излучающего вещества.
12
Рис. в. Схема устройства спектрографа.
На фотопластинке (справа) получаются цветные изображения узкой
щели (слева) — спектральные линии.
На рисунке 6 показана схема наиболее распространен-
ного прибора, предназначенного для фотографирования
спектров (спектрографа). С помощью этого прибора на
фотопластинке (ее располагают в той плоскости, где дол-
жно быть изображение изучаемого объекта, создаваемое
телескопом) получается четкое изображение спектра из-
лучения исследуемого источника. Если источник излучает
электромагнитные волны всех частот, то всевозможные
спектральные линии сливаются в сплошную полоску, на-
поминающую радугу, в которой цвета плавно переходят
друг в друга. Такой спектр называется непрерывным. Его
дают нагретые до свечения твердые тела или жидкости.
В спектрах газов удается заметить отдельные спектраль-
ные линии, излучаемые различными атомами. Такие спек-
тры называют линейчатыми (рис. 7).
Спектральные линии об-
ладают очень важным свой-
ством: если источник излу-
чения или наблюдатель дви-
жутся так, что их взаимное
расстояние меняется, то
спектральные линии смеща-
ются. Причем сближению
соответствует смещение в
синюю сторону, а удале-
нию — в красную.
Сравнивая спектры, на-
цример, звезд и земных ис-
точников, можно узнать ско-
13
рости движения этих звезд относительно Земли, Солнеч-
ной системы и т. д.
Спектральные аппараты, снабженные фотоэлементами,
фотоумножителями, позволяют зарегистрировать излуче-
ние в отдельных спектральных линиях и измерить соот-
ношения между количествами энергии, излучаемой в каж-
дой из них. Это дает возможность расшифровать содержа-
щуюся в спектрах информацию о физических свойствах
и движении излучающих тел.
Излучающее тело, например звезду, можно уподобить
огромному оркестру «звучащих» атомов, а спектральный
прибор — чуткому уху дирижера, который в музыке всей
симфонии улавливает игру каждого отдельного инстру-
мента.
Композитор вкладывает в музыку эмоциональный мир
человека, а природа в спектрах излучающих тел запечат-
левает тайны мироздания. Астрономы по спектрам небес-
ных тел прежде всего узнают, в каком состоянии нахо-
дится вещество. Так, например, обнаружив в спектрах
звезд линии различных атомов, астрономы сразу установи-
ли, что они состоят из газов, и смогли даже выяснить, из
каких именно.
Так же точно можно установить температуру, плот-
ность, давление, напряженность электрических и индук-
цию магнитных полей, скорость движения вещества и
другие физические характеристики излучающих тел.
«Я остаюсь при том мнении, что любое знание истин-
ных средних температур звезд неизбежно должно быть
навсегда скрыто от нас»,— писал Огюст Конт. Коммента-
рии к этому высказыванию уже знакомого нам философа
излишни.
Температуру наружных слоев звезд, излучение кото-
рых мы наблюдаем (т. е. звездных атмосфер), астрономы
определяют сравнительно просто и надежно. Имеется даже
несколько способов. Наиболее простой из них, хотя и не
самый'точный, основан примерно на тех же соображениях,
которыми пользуется сталевар, определяя температуру
плавки. При низких температурах цвет металла краснова-
тый (красное каление), при более высоких — оранжевый,
желтый и даже белый. Астрономы знают, что у красных
одезд температура 4000—5000 К, у желтых — 5000—
6000 К, у белых-10 000-12 000 К, а у голубых —
20 000-30000 К.
14
Несмотря на столь широкий диапазоп температур
ввездных атмосфер, практически у. всех звезд в спектрах
наблюдаются более или менее интенсивные спектральные
линии, соответствующие излучению атомов водорода. Это
означает, что водород имеется на всех звездах и притом
в относительно больших количествах. Подобным же путем
можно установить, что в атмосферах звезд присутствуют
атомы и других химических элементов, а на основании
специальных измерений спектров определить и относи-
тельные их количества.
В результате многих исследований установлен химиче-
ский состав многих звезд. Выяснено, что имеются неболь-
шие различия в содержании отдельных элементов у неко-
торых групп звезд. Эти отличия особенно важны в связи
с проблемой происхождения звезд, их эволюции и воз-
раста. Более подробно об этом мы поговорим в дальней-
шем. Для начала нам достаточно того надежно установ-
ленного факта, что в среднем химический состав звезд
примерно одинаков: преобладающим элементом является
водород; второе место занимает гелий, число атомов кото-
рого в каждом данном объеме примерно в 10 раз меньше,
чем атомов водорода; на третьем месте такие элементы,
как кислород, углерод и азот. Число их атомов почти в
тысячу раз меньше, чем. атомов водорода. Наконец, ато-
мов всех металлов, а также тяжелых элементов, вместе
взятых, в десять тысяч раз меньше, чем атомов водорода.
Результаты определения химического состава звезд в
общем согласуются с данными анализа метеоритов и зем-
ной коры. Имеется некоторое отличие лишь в содержании
самых легких элементов, быстро теряемых телами с не-
большой массой.
Итак, содержание различных атомов всюду, где это
удалось исследовать во Вселенной, в обгцем одинаково.
Это явно не случайно. Но как объяснить эту одинаковость
состава космического вещества? Может быть, весь мир
произошел из одной и той же первоначальной массы одно-
родного вещества? Однако подобная точка зрения пред-
полагает сохранение состава вещества в течение огромных
промежутков времени. Вместе с тем по некоторым наблю-
даемым различиям химического состава отдельных звезд
мы знаем, что со временем он изменяется. Как мы уви-
дим дальше, химический состав Вселенной во многом оп-
ределяется эволюцией звезд.
15
3. СКОЛЬКО МОЖЕТ БЫТЬ РАВНОВЕСИЙ?
Вертолет замер в воздухе. Подъемная сила винта
уравновешивает тяжелую машину. Стрелка амперметра
рванулась и замерла у красной отметки, показывая рабо-
чее значение потребляемого тока. Скрепленная с нею ра-
мочка остановилась в том положении, при котором сила
сжатой ею пружинки равна силе взаимодействия магнит-
ных полей сердечника и проводника с электрическим то-
ком. Длинный состав равномерно идет по прямолинейно-
му пути. Это означает, что сила тяги локомотива все вре-
мя уравновешивает силу трения колес. Маятник часов
равномерно отстукивает одни и те же доли секунды, по-
тому что подталкивающая его пружина всякий раз пере-
дает ему столько энергии, сколько он тратит на преодо-
ление трения. Во всех этих примерах мы имеем дело с
различными видами равновесия. Общее в них то, что ка-
кое-то определенное свойство системы сохраняется, оста-
ется неизменным. Такие состояния называются стацио-
нарными или равновесными.
Чем сложнее система, тем большее количество различ-
ного типа равновесий требуется для ее стационарности.
Например, живой организм постоянно сохраняет неизмен-
ной температуру своего тела (тепловое равновесие), запа-
сы своей энергии, содержание воды, солей и других хими-
ческих веществ.
На примере нашего Солнца можно утверждать, что
большинство звезд длительно сохраняет три важнейшие
свои характеристики: радиус, светимость и массу. У Солн-
ца в течение более ста лет видимый диаметр постоянен,
с точностью по крайней мере до 0,01%. Светимость Солн-
ца, т. е. вся излучаемая им энергия, несомненно, остава-
лась постоянной в течение более длительного времени,
хотя и с меньшей точностью. Геологи утверждают, что
если бы за последний миллион лет светимость Солнца от-
клонялась от нынешней более чем на 2%, это оставило бы
неизгладимый след в геологической истории Земли. Нако-
нец, вполне естественно предположить, что имеет место
постоянство массы Солнца. Действительно, за счет каких
явлений можно ожидать ее изменения? Медленный при-
рост массы, происходящий в результате выпадения на
Солнце метеоритного вещества из межпланетной среды, ни-
чтожно мал. Чуть большую массу Солнце теряет за счет
16
истекающего (испаряющегося) из него газа — солнечного
ветра.
Главный источник потерь массы Солнца связан с его
излучением. Но и эта величина относительно ничтожна:
она не превышает одной десятитысячной доли массы
Солнца за миллиард лет.
Итак, Солнце должно сохранять свою массу.
Представим Солнце в виде гигантского газового шара,
обладающего центральной симметрией (рис. 8). Такая
симметрия означает, что все физические характеристики
вещества в каждой внутренней точке Солнца зависят
только от значения радиуса г, т. е. что на одном и том
же расстоянии от центра все они одинаковы. Следова-
тельно, любой кубический сантиметр вещества, находя-
щегося на расстоянии г от центра, имеет плотность
р, значение которой определенным образом зависит от г.
Если бы мы знали эту зависимость, то легко опреде-
лили бы и все другие свойства газа: давление, температу-
ру и т. д. На самом деле найти, как зависит р от г0 не
так просто. Решение этой задачи является одной из важ-
ных проблем теории внутреннего строения звезд.
Правда, надо оговориться, что в самое последнее вре-
мя появились некоторые надежды на то, что найти эту
зависимость помогут наблюдения, а именно: академик
А. Б. Северный и его сотрудники из Крымской астрофизи-
ческой обсерватории изучают очень слабые колебания все-
го Солнца в целом. Период
этих колебаний в принципе
зависит от закона распреде-
ления масс по глубине и яв-
ляется как бы наблюдаемым
его проявлением.
Пока предположим, что
закон распределения масс по
глубине нам уже известен, и
выразим массу всего Солн-
ца (обозначим ее М) через
зависимость р от г. Для это-
го разделим объем всего
Солнца на Лг концентричес-
ких слоев одинаковой тол- Рис 8. Модель звезды в
щины, равной HIN (Я — ра- виде # концентрических
диус Солпца). На рисунке 8 слоев.
2—442
17
схематически показаны слои с номерами (считая от цент-
ра) •*, 2, ..., к, ..., N- Число N произвольно. Его
можно выбрать настолько большим, что толщина сло-
ев R/N окажется малой по сравнению с интервалом глу-
бин, на котором существенно изменяется плотность. Тогда
в пределах каждого слоя плотность практически будет
одинакова и легко вычислить массу каждого слоя. Она
равна плотности р* (индекс к означает, что рассматрива-
ется слой с номером к), умноженной на толщину слоя
R/N и на площадь его поверхности 4ЯГ2*, где rk = kR/N —
радиус внешней сферы, ограничивающей слой (так как
слой тонкий, площади внешней и внутренней поверхнос-
тей отличаются друг от друга пренебрежимо мало).
Чтобы найти всю массу, надо просуммировать массы
всех слоев. Следовательно,
*=i 15=1
Это соотношение выражает очевидный факт: как бы
ни менялась с глубиной плотность на Солнце, всегда сум-
марная масса всех его слоев равна массе Солнца.
Выведенное соотношение обладает интересным мате-
матическим свойством. Предположим, что все р* одинако-
вы, т. е. плотность всюду постоянна и равна средней плот-
ности, которую мы обозначим через ]э. Тогда полученная
выше формула позволит найти изящное математическое
соотношение. Действительно, для однородного Солнца
М= — 1сЯ3р,
3
так что
N
причем, чем больше /V, тем точнее соблюдается это равен-
ство. Например, при N= 1000 величина Л^/3 чуть больше
333333 333 а Ъкг=333 833 500, т.е. расхождение около
0,15%.
18
Подобно условию постоянства массы, в точной матема-
тической форме могут быть записаны и все остальные
физические условия равновесия, которым должно «под-
чиняться» Солнце. Например, как уже говорилось, свети-
мость Солнца также можно считать практически постоян-
ной. Это приводит к так называемому условию теплового
равновесия: суммарная мощность всех источников энер-
гии Солнца должна равняться общей его светимости. Дру-
гое важное условие — гидростатического равновесия —
констатирует отсутствие сильных потоков вещества на
Солнце. Во многих слоях Солнца выполняется еще.одно
важное условие —- лучистого равновесия: при нем любой
объем газа излучает в точности столько энергии, сколько
он ее поглощает.
Чтобы рассчитать физические условия в каждой точке
Солнца, необходимо сформулировать в математической
форме все подобные условия. Тогда получится система
уравнений. Решив ее для каждой точки внутри Солнца,
мы найдем искомые данные.
До изобретения быстродействующих электронных вы-
числительных машин эта задача представляла большие
математические трудности. Тем не менее многие астрофи-
зики успешно с ней справлялись. Теперь дело облегчилось
и удается сразу найти точные решения для многих раз-
личных звезд и даже рассчитать, как должны изменяться
со временем условия в каждой точке какой-либо звезды.
Результаты расчетов представляют собой некоторую
таблицу чисел, полученных для определенных исходных
значений массы, радиуса, светимости звезды и других ее
параметров (например, химический состав и т. д.). Естест-
венно, что для выполнения подобных расчетов приходится
делать те или иные предположения. Сочетание этих пред-
положений с соответствующими им начальными данными
и численными результатами называется моделью звезды.
Подобное моделирование — широко распространенный ме-
тод исследования в теоретических работах по физике и
астрономии.
4. ЗВЕЗДЫ И ПИРАМИДЫ
Древние египтяне строили пирамиды для своих фара-
онов, мексиканцы, чтобы возносить жертвы богам. В обо-
их случаях архитектурная форма пирамиды не случайна:
2*
19
назначение сооружения требует необычайной прочности.
И пирамиды стоят тысячелетия, производя огромное впе-
чатление и в наши дни. Ни ветры, ни войны, ни всевоз-
можные стихийные бедствия не смогли существенно из-
менить их облик.
Секрет прочности пирамид в умелом использовании
силы тяжести. Та же сила тяжести определяет своеобраз-
ную «прочность» звезд, которые всегда стремятся сохра-
нить форму шара. Чем ближе к основанию пирамиды ле-
жат камни, тем сильнее придавливаются они к земле вы-
шележащими слоями. Точно так же и вышележащие слои
звезды все время «придавливают» ее вещество к центру
масс. Эту аналогию мы используем для того, чтобы пояс-
нить, как рассчитывается давление в недрах звезды.
В каждой точке пирамиды силу давления рассчитать
легко. Если все камни одинаковы, то она, грубо говоря,
равна суммарному весу всех камней, расположенных по
вертикали над данной точкой (рис. 9).
В звезде дело обстоит сложнее: с глубиной плотность
слоев увеличивается, и если их тоже представить в виде
«кладки» из одинаковых камней, то придется считать,
что более глубокие «камни» массивнее. Кроме того, они
оказываются тяжелее, так как с уменьшением расстояния
до центра сила тяготения, вообще говоря, возрастает.
Однако точный расчет не так прост, как в случае опреде-
ления массы. Поэтому нам придется начать с разбора
двух теорем.
Рис. 9. Сила давления каж-
дого столбика пирамиды
на опору равна суммарно- ™ис- *0. К обоснованию
му весу составляющих его теоремы 1.
камней.
20
Теорема 1. Тонкий однородный шаровой слой веще-
ства не оказывает гравитационного воздействия на мате-
риальную точку, расположенную в полости, охваченной
слоем.
.Доказательство очень простое. Выберем произвольную
материальную точку М и проведем через нее любую пря-
мую (рис. 10). Конечно, она обязательно пересечет сфе-
рический слой в двух противоположных точках. Затем вы-,
берем на сфере около одной из точек произвольную не-
большую площадку S\ и проведем конус через границу
этой площадки и точку Л/. Ясно, что этот конус на проти-
воположной стороне сферы тоже выделит центрально-сим-
метричную относительно точки М площадку Зг- Докажем,
что противоположно направленные силы гравитационного
притяжения точки М обеими площадками (их **ассы т\
и юг пропорциональны S\ и S2) уравновешиваются. Дей-
ствительно, S\ и 5г, а следовательно и mi и тт&2, относятся
как квадраты расстояний до точки Л/, которые мы обоз-
начим через п и т*2. А гравитационные силы обратно про-
порциональны квадратам тех же расстояний. Следователь-:
но, силы тяготения одинаковы. Поскольку таким путем
можно однозначно перебрать все элементарные площадки
сферы, то теорема доказана.
Из доказанной теоремы вытекает важное следствие:
пусть имеется шар, в котором распределение масс обла-
дает сферической симметрией. Вырежем из него сердце-
вину некоторого радиуса. Такой полый внутри шар не
будет оказывать гравитационного воздействия на любую
точку, расположенную внутри полости.
Действительно, применяя только что доказанную тео-
рему к каждому тонкому сферическому слою, на которые
можно разбить шар,, всякий раз получаем силу притяже-
ния, равную нулю. Значит, и общая равнодействующая
равна нулю.
Вторую теорему доказать труднее. Для этого нам при-
дется ввести новое понятие.
Вообразим, что масса m притягивает некоторую массу
77ti и перемещает ее при этом из точки, удаленной от m
на расстояние п, в точку с расстоянием Г2<п. (Масса m
и точки г\ и 7*2 лежат на одной прямой.) Это перемещение
будет происходить под действием гравитационной силы
г2
21
увеличивающейся по мере того, как расстояние г умень-
шается от г\ до гг (G — гравитационная постоянная). По-
скольку гг^г^гь то в качестве среднего значения силы
F на участке пути от г\ до тг примем величину
F =G ттх
Тогда работа, которую совершает сила притяжения на пу-
ти г\—г2 вдоль направления действия силы, будет равна
А = Gmmx I ).
\г2 гх)
Рассмотрим теперь частный случай, когда тело т\ дви-
жется из бесконечности (п = оо) и приближается к телу
т на расстояние г. В этом случае работа
г
так как 1/ri = 0. Величина А есть работа, совершаемая си-
лой притяжения, которую испытывает масса mi со сторо-
ны массы т при перемещении из бесконечности в данную
точку.
Работа, которую необходимо совершить, чтобы единич-
ную массу (mi==l) унести из данной точки в бесконеч-
ность, называется потенциалом поля тяготения, создава-
емого телом массой т. Очевидно, что эту работу должны
совершать внешние силы, чтобы преодолеть гравитацион-
ное притяжение. Поэтому потенциал U равен вычислен-
ной работе А с противоположным знаком, т. е.
U=-A = -G — .
г
Это и есть то новое понятие, которое мы используем при
доказательстве теоремы 2.
Теорема 2. Шар со сферически симметричным рас-
пределением масс создает в точке, лежащей вне шара, fa
кой же гравитационный потенциал, как и материальна}]
точка с массой, равной массе шара, расположенная в егс
центре.
Очевидно, что теорему 2 достаточно доказать для ша
рового тонкого слоя с равномерным распределением мас<
по поверхности. Ведь из множества таких слоев можнс
составить шар с любым распределением масс по глубине
22
а 5
Рис. 11. К обоснованию теоремы 2.
Рассмотрим такой сферический слой радиуса R
(рис. 11). Пусть масса по поверхности этого слоя распре-
делена так, что в любом участке с площадью, равной еди-
нице, она равна р. Тогда масса всего шарового слоя будет
равна 4яЛ2р. Если бы вся эта масса находилась в центре
шарового слоя О (см. рис. И), то потенциал в точке М,
лежащей на расстоянии D от центра 0, был бы
D
Покажем, что такой же потенциал в точке М создает и
рассматриваемый шаровой слой.
Для доказательства выделим из шарового слоя тонкое
кольцо, угловая ширина которого измеряется очень ма-
леньким углом в с вершиной в точке О (см. рис. 11, б).
Угол в будем выражать в радианах. Тогда линейная ши-
рина кольца составит Лв. Из рисунка 11,6 видно, что
23
радиус кольца равен RsinZ, где Z — угол между лучами,
направленными из точки О на точку М и любую точку
кольца. Следовательно, площадь поверхности кольца
равна
(2*Д sin Z) Re ,
а его масса —
(2*fl2sinZ)ep.
Теперь воспользуемся тем, что кольцо расположено
симметрично относительно прямой ОМ. В сил$> этой сим-
метрии все точки кольца удалены от точки М на одно и
то же расстояние г. Поэтому участки кольца с одинако-
выми массами создают в точке М одинаковые потенциалы.
Тогда потенциал, создаваемый массой всего кольца, будет
равен
Г1 п (2ici?2sinZ)0p
UK = — Ь .
г
г — это расстояние до внутренней границы кольца (г=
=МК, см. рис. И, б). Расстояние до внешней границы
кольца МК\ обозначим через гН-аг. Различие между обои-
ми расстояниями х соответствует малому углу в, опреде-
ляющему ширину кольца.
Применяя теорему косинусов к треугольникам МКО и
МК\0 (рис. 11,6), получим:
г*^Д2 + ]52_ 2RDcosZ,
(г + х)2 = Д2 + Я2 — 2RDcos(Z + в).
Вычитая почленно одно равенство из другого, найдем
(2г + х) х = 2RD [cos Z — cos (Z + в)];
пренебрегая х по сравнению с г (это можно сделать, если
выбрать угол в достаточно малым) и применяя формулу
преобразования для разности косинусов, имеем:
тх = 2RD sin (Z + — \ sin —
При малых углах можно считать, что
sin — « — , a sin(Z-| J « sin Z.
24
Поэтому
rx = (RD sin Z) в»
откуда
(flsinZ)6 x_
r ~ D '
Это выражение входит в формулу для рассчитываемого
^ (R sin Z) в *
нами потенциала кольца. Заменяя на —•,
г и
получим, что потенциал кольца
к />
Следовательно, потенциал кольца зависит только от тол-
щины я, измеренной вдоль направления г.
Если разбить весь шаровой слой на тонкие колечки,
то сумма потенциалов всех колец окажется пропорцио-
нальной изменению расстояния г. А это расстояние меня-
ется от точки сферы А, ближайшей к точке М, до наибо-
лее удаленной от нее точки сферы В. Очевидно, измене-
ние этого расстояния составляет 2Я, т. е. равно полному
диаметру сферы. Отсюда потенциал всего шарового слоя
что и требовалось доказать.
Используя обе приведенные теоремы, можно матема-
тически записать условие механического равновесия в лю-
бой точке внутри звезды.
Разделим звезду с радиусом R на N концентрических
слоев одинаковой толщины (см. рис. 8) с номерами 1, 2,
#... от центра. Последний слой с номером N окажется у
поверхности. Для удобства расчетов условимся, что
N=*R, т. е. толщина каждого слоя равна единице длины.
Тогда, очевидно, номер слоя к совпадает с его расстоя-
нием г от центра, т. е. r=fc. Благодаря тому, что толщи-
на слоя равна 1, вырезанный из него кубик единичного
объема будет также иметь и единичное поперечное сече-
ние, а тогда масса этого кубика будет численно равна
плотности р.
Согласно рассмотренным теоремам, этот кубик притя-
гивается только слоями с номерами меньше к. Обозначая
25
суммарную массу через Л/*, получим, что единичный ку-
бик притягивается к центру с силой, определяемой по за-
кону всемирного тяготения для масс р и А/*, находящихся
на расстоянии к, т. е. с силой, равной:
к2
Чтобы единичный кубик никуда не перемещался отно-
сительно центра звезды, необходимо уравновесить эту си-
лу равнодействующей сил газового давления. Газовое дав-
ление вдоль слоев, очевидно, одинаково во всех направле-
ниях, и потому его силы взаимно уравновешиваются. Раз-
личны лишь давления сверху pk и снизу p*-i слоя. Сле-
довательно, механическое равновесие имеет место, когда
разность указанных сил давлений уравновешивает запи-
санную выше силу притяжения:
А-1 —А-—£Г".
причем к=2, 3, 4..., Я, а рн-\ и р* — силы, действующие
на единичную поверхность кубика. Так мы получили в
упрощенной форме одно из основных уравнений равнове-
сия звезды. Поскольку его следует записать для каждой
пары слоев, т.е. /с=2, 3, 4..., R, то фактически мы запи-
сали систему (ft— 1)-го уравнений с неизвестными Мк и
Для простоты снова предположим, что плотность ве-
щества всюду в звезде одинакова. Это предположение, ра-
зумеется, приведет к большим ошибкам в численных ре-
зультатах, но, как мы увидим, все же позволит получить
представление о примерных значениях физических харак-
теристик вещества в недрах звезд.
Для однородной звезды, т. е. при постоянной плотнос-
ти вещества р, массы Л/* легко вычислить, умножив плот-
ность на объем соответствующих шаров:
Mh= "з~ *р/с3"
Подставляя это значение в условие равновесия для
слоя с номером к, получим:
Pfe-i— Рк = -J *gp2A-
26
Теперь запишем подобные уравнения для всех выше-
лежащих слоев:
PN_x-pN = -j*G?(N-\).
Сложим все эти равепства. Слева взаимно уничтожатся
все промежуточные />* и останется
Ph ~PN = y г^2{к + * + 1 +* + 2 + • • • +N-1).
В правой части стоит сумма N—к членов арифметической
прогрессии, которую легко вычислить:
А -pn = -j «<?Р* ±±2Lz± {N -k).
Поскольку для получения достаточно точного резуль-
тата звезду надо разбить на очень много слоев, то число
Лг»1 и в сомножителе k+N—l можно без ущерба для
результата пренебречь единицей. Кроме того, будем счи-
тать, что снаружи при N=R на звезду не действуют ни-
какие силы, так что /?лг = 0. Тогда окончательно получаем,
что в однородной звезде на расстоянии г=Л от центра си-
ла давления на единицу площади составляет
или, учитывая, что —ярД3 = М, т. е. массе всей
о
звезды,
Мы видим, что даже в однородной звезде давление от
ничтожно малого на поверхности быстро возрастает к
центру, достигая максимального значения:
Для реальных звезд это очень большое значение. Так, для
27
Солнца оно порядка нескольких миллиардов атмосфер
(~1014 Па). Поскольку газ легко сжимаем, то на самом
деле плотность сильно нарастает с глубиной и давление
в центре Солнца оказывается в сотни раз больше ука-
занного.
Только что полученную зависимость давления в недрах
звезды от ее массы и радиуса можно получить проще и
быстрее, правда, ценою потери численного коэффициента.
Действительно, в общем случае давление равно силе^,
отнесенной к единице площади. Если вся площадь S, то
Р" S
Но всюду внутри звезды действуют гравитационные силы.
Они пропорциональны произведению взаимодействующих
масс и обратно пропорциональны квадрату расстояния
между ними. В любой внутренней точке звезды приходит-
ся брать какие-то доли масс и какую-то долю расстояния.
Поэтому
где множитель пропорциональности К\ должен быть бли-
зок к единице. Подставляя это выражение для F в преды-
дущую формулу и учитывая, что £=#2Й2, получим:
* г ЮК2Ю К2 R* v R
где, очевидно,
з к2
Сравнивая это значение р с результатом, полученным вы-
ше для ро, находим, что коэффициент К, с точностью до
которого мы оценили давление р, равен Уг, т. е. дей-
ствительно близок к l.He следует думать, что проведенные
рассуждения «придуманы» только в целях популяризации.
Подобный метод выявления качественной зависимости
между физическими величинами в той или иной задаче
вместе с приближенной оценкой результатов очень часто
применяется в конкретной работе астрофизиков, особен-
но когда необходимо разобраться в сложной задаче, пре-
жде чем приступить к детальным и точным расчетам.
28
Итак, предположение о постоянстве плотности дало
нам возможность вычислить давление внутри нашего
Солнца в любой точке на всем протяжении от центра до
наружных слоев, т. е. получить закон изменения давления
с глубиной. Но этого мало. Оказывается, мы не исчерпа-
ли всех следствий этого предположения. Сейчас мы уста-
новим закон изменения не только давления, но и темпе-
ратуры.
Действительно, рассматривая солнечный газ как иде-
альный, запишем уравнение Клапейрона — Менделеева
Р= -—>
где R=8,31 Дж/(моль-К) —универсальная газовая по-
стоянная, \х — молярная масса, а Г — абсолютная темпе-
ратура. Подставляя его в выражение для /?г, получим:
Мы неожиданно сразу все узнали о веществе внутри
Солнца, правда дорогою ценою предположения о том,
что составляющие его газы обладают постоянной плотно-
стью (подобно жидкости). Однако легко сообразить, как
должно отличаться строгое решение задачи от этого уп-
рощенного случая. Если вещество сжимаемо, то по мере
приближения к центру под* действием тяжести вышеле-
жащих слоев оно будет сжиматься все сильнее и сильнее.
В результате в недрах Солнца плотность окажется боль-
ше, чем среднее ее значение 1,4 г/см3. Согласно точным
расчетам в центре Солнца плотность почти в сто раз боль-
ше и составляет ро=150 г/см3. Поэтому больше оказыва-
ются и давление, а именно около 220 миллиардов атмос-
фер (2,2-1016 Па). В значении температуры мы ошиблись
значительно меньше. Действительно, если вычислить Г,
положив молярную массу ji=0,5 г/моль (ионизованный
водород), получим значение температуры около 107 К, в
то время как точные расчеты дают 1,4-107...1,5-107 К.
Причина этой удачи в том, что выражение для темпе-
ратуры не содержит средней плотности р. Следовательно,
результат мало зависит от предположения о постоянстве
плотности в звезде. Действительно, приняв постоянную
плотность, мы занизили ее значение в центре и во столь-
29
ко же раз занизили значение давления. А температура,
пропорциональная их отношению, оказалась почти вер-
ной!
Точные цифры, которые мы привели,— результат слож-
ных расчетов. Чтобы их выполнить, в первую очередь на-
до знать, откуда берется энергия Солнца.
5. ОТКУДА БЕРЕТСЯ ЭНЕРГИЯ ЗВЕЗД?
Откуда берется энергия звезд? Этой проблеме по край-
пей мере две с половипой тысячи лет. Греческий ученый
Анаксагор был посажен в тюрьму, а затем выслан из
Афин за то, что посмел утверждать, что Солнце не бог,
а раскаленный камень. В наше время школьник, который
станет так утверждать, рискует гораздо меньше: он про-
сто получит плохую оценку, если не будет знать, что звез-
ды состоят из газа. Однако, почему во внешних слоях
этот газ нагрет до десятков тысяч, а в глубине, по-види-
мому, до десятков миллионов Кельвинов, мы все еще не
знаем. Правда, почти никто уже не сомневается, что аст-
рофизики верно угадали невидимый мощный источник
энергии звезд. Дело только за доказательством.
Первая попытка найти возможный источник энергии
звезд была предпринята Гельмгольцем и Кельвином в се-
редине XIX в. Опи рассчитали выделепие энергии, происхо-
дящее при гравитационном сжатии звезды. Если звезда
сжимается, то потенциальная энергия ее масс, падающих
к центру, переходит в кинетическую, а следовательно и
во внутреннюю энергию вещества. От этого светимость-
и температура звезды могут сильно увеличиться. Однако
такая звезда — нестационарный объект, для нее не вы-
полняются многие из уже рассмотренных нами условий
равновесия. Поэтому стремительно быстрое гравитацион-
ное сжатие не может обеспечить длительное и постоян-
ное свечение звезды. Время сжатия легко оценить. Изме-
нение потенциальной энергии массы М при ее перемеще-
нии на расстояние R под действием поля тяготения,
создающего ускорение £, составляет MgR. Принимая в качё-
MG
стве g его значение на поверхности звезды -— , полу-
GM* „
чим, что полная энергия звезды порядка . Поэто-
30
му за счет гравитации звезда может иметь светимость L
только в течение времени порядка г = . Для Солнца
RL
это время составляет всего 1,6 миллионов лет, что слиш-
ком мало для продолжительности существования звезд и
может быть сравнимо только со временем существования
человека на Земле. Таким образом, за счет гравитацион-
ной энергии звезды не могут длительное время сущест-
вовать как стационарные объекты.
Если звезда станет неограниченно расходовать потен-
циальную энергию поля тяготения, то она начнет неудер-
жимо сжиматься, ее радиус будет неуклонно уменьшать-
ся, а светимость — увеличиваться. Такой процесс назы-
вается гравитационным коллапсом. По-видимому, он име-
ет место на некоторых стадиях эволюции звезд. Мы еще
будем о нем говорить. Однако в большинстве случаев сжа-
тие звезды сопровождается ростом мощности внутренних
источников ее энергии. Эти источники энергии настолько
быстро увеличивают давление газа в недрах звезды, что
она оказывается способной противостоять гравитацион-
ным силам и обретает возможность находиться в механи-
ческом равновесии.
Что же это за источники энергии? Они очень своеоб-
разны по своим проявлениям. Однако американский аст-
роном Г. Рессел сумел угадать их свойства и сформулиро-
вать пять условий, которым эти источники должны удов-
летворять, задолго до того, как они были открыты.
Формулируя свои условия, Рессел исходил из хорошо из-
вестных данных наблюдений.
Первое условие Рессела говорит об очевидном факте:
источник звездной энергии действует только при весьма
значительных температурах и давлениях, которые имеют
место в недрах звезд, но совсем или почти совсем не дей-
ствует при меньших значениях этих величин (например,
в недрах Земли или в лабораторных условиях).
Согласно второму условию, увеличение мощности энер-
говыделения в звезде не должно сопровождаться ускоре-
нием этого процесса. В противном случае звезды слишком
часто должны были бы взрываться, чего не наблюдается.
Согласно третьему условию, энерговыделение должно
каким-то путем регулироваться, причем так, чтобы вы-
рабатываемая энергия все время в точности компенсиро-
вала энергию, теряемую звездой на излучение.
31
Если некий гипотетический процесс энерговыделения _
удовлетворяет первому условию Рессела, то очевидно, что
его* эффективность должна расти вместе с ростом темпе-
ратуры. Почему же тогда, раз начавшись, он не приводит
к ускоренному увеличению температуры, завершающему-
ся неизбежным взрывом всей звезды? Вместо этого про-
исходит автоматическая подстройка мощности энерговы-
деления к потерям на излучение. Иными словами, вся
звезда в целом ведет себя так, что при увеличении энер-
гии она как бы уменьшает свою температуру (ее тепло-
емкость отрицательна). Сформулировав второе и третье
условия, Рессел подошел тем самым к пониманию меха-
низма саморегулирования звезд.
Еще два условия Рессела также основаны на наблюда-
емых фактах. Четвертое требует, чтобы со временем ис-
точник энерговыделения иссякал и звезда превращалась
бы в белого карлика. Наконец, согласно пятому условию,
белые карлики должны обладать все же достаточно боль-
шим запасом энергии, чтобы обеспечивалась длительность
их существования, соответствующая большому наблюдае-
мому их числу.
Работа Рессела показала физикам, где надо искать
источники энергии звезд. Сам он как о принципиальной
возможности упоминает о ядерной энергии. Однако в
1919 г. о свойствах атомов было известно еще сравни-
тельно мало. Правда, знаменитые опыты Резерфорда по
изучению строения атома, предпринятые им в лаборато-
рии Кавендиша, в это время были уже в полном разгаре.
Как раз в 1919 г. Резерфорд осуществил первую искус-
ственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород.
Хотя характер реакций, возможных в звездах, оставался
совсем еще неясным, А. Эддингтон, о котором мы уже
упоминали в начале этой главы, смог выдвинуть гипотезу
о ядерной природе энергии звезд. Он писал, то, что воз-
можно в лаборатории Кавендиша, не может оказаться
слишком трудным для Солнца.
В конце тридцатых годов американский физик Г. Бе-
те и независимо от него немецкий физик К. Вейцзеккер
теоретически рассчитали последовательность ядерных пре-
вращений, которая самопроизвольно, или, как говорят,
спонтанно, может осуществляться в недрах звезд, сопро-
вождаясь выделением энергии, достаточной не только для
пополнения энергии, теряемой звездой на излучение, но
32
и для того, чтобы противодействовать силам гравитации
и обеспечить равновесие звезды.
Это равновесие означает равенство двух огромных сил:
газового давления и гравитации. Обе они в любой момент
готовы ринуться вперед, как только ощутится малейшее
ослабление противника. Но силы эти все время в точ-
ности одинаковы, причем эта одинаковость устанавлива-
ется как бы автоматически. Если, скажем, сила гравита-
ции позволит себе перешагнуть за порог равновесия и
слишком сильно сожмет звезду, то в недрах ее тотчас же
резко увеличатся температура и давление, от которых
очень сильно зависит выделение термоядерной энергии.
В результате температура и давление возрастут гораздо
сильнее, чем из-за гравитационного сжатия. Сила давле-
ния в недрах звезды превысит силу гравитации, и звезда,
не успев заметно сжаться, станет разбухать. При расши-
рении температура в недрах снизится и избыток давле-
ния исчезнет. Если звезда пройдет положение равновесия
и расширится больше, чем надо для восстановления рав-
новесия, то снижение в недрах температуры и давления
откроет поле деятельности для сил гравитации. В итоге
обе силы всегда уравновешиваются. Гравитация сжимает
звезду до тех пор, пока давление и температура в нед-
рах, подогреваемых ядерными реакциями, не достигнут
таких значений, при которых выделяется ровно столько
энергии, сколько надо для равновесия между силами внут-
реннего давления газа и силами гравитации. Таким обра-
зом, звезды оказываются саморегулирующимися система-
ми. Распределение масс в них все время подстраивается
так, чтобы термоядерная «печка» давала необходимую
мощность. Вот в чем секрет поразительного постоянства
свечения звезд, происходящего в течение миллиардов лет.
Звезды как бы сами стремятся сохранить неизменным
свое состояние как можно дольше. Любопытно, что при-
рода в своей эволюции, создавая все более и более слож-
ные объекты, уже самые простые из них наделила свой-
ством сохранять самих себя и поручила своим фундамен-
тальным законам неуклонно обеспечивать выполнение
этого свойства.
Нам остается выяснить вопрос, почему термоядерные
источники энергии так чутко реагируют на изменение
температуры и давления. Для этого необходимо несколь-
ко подробнее описать реакцию ядерного синтеза. Сделаем
3—442
33
Рис. 12. Схема одного из вариан-
тов протон-протонной термоядер-
ной реакции.
это на примере ядерной ре-
акции, которая, по-видимому,
наиболее важна для звезд
типа нашего Солнца. Назы-
вается эта реакция чпротон-
протонной, так как начина-
ется с тесного сближения
двух ядер атомов водоро-
да—протонов (рис. 12).
Протоны заряжены положи-
тельно, а потому должны
взаимно отталкиваться, при-
чем по закону Кулона сила
этого отталкивания обратно
пропорциональна квадрату
расстояния и при тесных
сближениях должна быстро
возрастать. Однако при
очень высоких температурах и больших давлениях ско-
рости тепловых движений частиц так велики, а частицам
так тесно, что наиболее быстрые из них могут близко
подойти друг к другу, даже несмотря па кулоновское
отталкивание. Если при этом два протона окажутся на-
столько близко, что попадут в сферу влияния ядерных
сил, удерживающих протоны и нейтроны от распада, то
может произойти ядерное взаимодействие, которое
завершится возникновением нового ядра. Для случая
двух протонов, который мы сейчас рассматриваем,
далеко не каждое близкое столкновение приводит к
ядерному взаимодействию. Чаще всего протоны сно-
ва расходятся в разные стороны. Если проследить за
судьбой одного какого-либо протона в недрах Солнца, то
окажется, что он может в течение десятка миллиардов лет
постоянно сталкиваться с другими протонами, так и не
дождавшись ядерного взаимодействия. Но если в момент
тесного сближения двух протонов произойдет еще одно
редкое явление — распад протона на нейтрон, позитрон и
нейтрино (такой процесс называется бета-распадом), то
протон с нейтроном объединятся в устойчивое ядро ато-
ма — тяжелого водорода — дейтерия.
Дейтон — ядро дейтерия — имеет один протон, его за-
ряд равен единице, и в основном он похож на ядро во-
дорода.
34
В недрах звезд ядро дейтерия долго существовать не
может. Уже через несколько секунд, столкнувшись с еще
одним протоном, оно присоединяет его к себе, испускает
мощный v~KBaHT и становится ядром изотопа гелия, у
которого два протона связаны не с двумя нейтронами,
как у обычного гелия, а только с одним. Раз в несколько
миллионов лет два таких ядра легкого гелия сближаются
настолько тесно, что могут объединиться в ядро обычного
гелия, испустив при этом на свободу два протона. В итоге
такой последовательности ядерных взаимодействий четыре
протона образуют ядро обычного гелия, содержащее два
нейтрона и два протона. Кроме того, возникают позитрон,
Y-квант и нейтрино. Эти частицы и у-квант передают газу
около 4'10~12 Дж энергии, а нейтрино примерно в 10 раз
меньшее количество совсем уносит из звезды, потому что
обладает удивительной способностью проникать через ог-
ромные толщи вещества, не задев ни одного атома.
Мы рассмотрели лишь один из нескольких возможных
путей превращения водорода в гелий в недрах звезды.
Другие ядерные реакции, типичные для звезд, похожих
на Солнце, являются лишь некоторым усложнением по-
следнего этапа рассмотренной реакции. Для звезд, более
массивных, чем Солнце, значительно важнее более длин-
ная цепочка взаимодействий, в которой участвуют ядра
углерода. Она называется углеродным циклом и также в
итоге приводит к образованию ядра гелия из четырех
протопов.
Итак, мы рассмотрели простейшие ядерные взаимо-
действия. Теперь легко понять, почему выход термоядер-
ной энергии так сильно зависит от температуры и давле-
ния, а, как мы видели, именно это обстоятельство оказы-
вается секретом устойчивости звезд. Действительно, при
увеличении температуры частицы начинают двигаться
быстрее и чаще сталкиваются. Вместе с тем для термо-
ядерной реакции необходимо осуществление ее первого
звена, связанного с тесным сближением двух протонов.
Ясно, что, чем чаще сталкиваются частицы, тем больше
вероятность того, что во время одного из таких сближе-
ний произойдет бета-распад и начнется реакция. Такую
же роль играет увеличение давления.
О ядерных реакциях мы все время говорим несколько
осторожно: по-видимому, они происходят в звездах, ско-
рее всего, они — источник их энергии и т. д. Тем не менее
з*
35
мы подробнейшим образом Можем описать последователь-
ность реакции, рассказать, какие в них участвуют элемен-
тарные частицы, что образуется в результате, сколько вы-
деляется энергии. Ничего не стоит подсчитать, сколько
энергии может излучать Солнце за счет ядерных реакций.
Действительно, поделив массу Солнца 2-1033 г на массу
протона 1,7-КН4 г, получим, что на Солнце около 1067
протонов. Следовательно, всего из них могло бы возник-
нуть примерно 2,5 -1056 ядер гелия. Каждое превращение
сопровождается выделением энергии 4-Ю-12 Дж, а всего
смогло бы выделиться 4-1044 Дж. Но все эти превращения
могут произойти только за время порядка 10 миллиардов
лет, или 3-Ю17 с. Отсюда получаем, что за 1 с наше Солн-
це должно излучать примерно 1027 Дж, т. е. его мощ-
ность — около 1024 кВт, что, несмотря на грубость приб-
лиженного расчета, только в 2,5 раза превышает действи-
тельную мощность Солнца. Можно даже объяснить, поче-
му мы ошиблись в большую сторону: дело в том, что ядер-
ные реакции происходят только в центральной части
Солнца, где сосредоточена далеко не вся масса, а только
ее часть, правда весьма существенная.
Неужели подобные расчеты, но выполненные со всей
строгостью и. приводящие фактически к тому же выво-
ду — что «можно построить модель Солнца, использующе-
го термоядерную энергию», — не являются убедительным
доказательством справедливости гипотезы о ядерных ре-
акциях?
Да, не являются. В науке требуются непосредственные
доказательства, основанные на наблюдениях. Вот почему
в настоящее время уделяют большое внимание экспери-
ментам по улавливанию нейтрино от Солнца, в частности
и тех, которые должны возникать при исходном бета-рас-
паде, с которого начинаются всевозможные варианты про-
тон-протонной реакции.
Пока надежно зарегистрировать нейтрино от Солнца
все еще не удается, и возникает серьезная проблема, чем
объяснить это расхождение между теорией и эксперимен-
том.
Сейчас мы рассмотрим подробнее эту интересную
проблему.
36
6. НЕУЛОВИМЫЕ НЕПТРОНЧИКИ
Огюст Конт и не пытался обсуждать возможность за-
глянуть в недра звезд. Это представлялось ему настолько
невероятным, что не требовало даже упоминания. И все
же в известном смысле заглянуть в недра Солнца можно.
Прибор, регистрирующий нейтрино, должен позволить как
бы увидеть центральное ядрышко Солнца размером при-
мерно в 1/100 его радиуса, так как именно здесь возни-
кают почти все нейтрино, которые, согласно современной
теории внутреннего строения звезд, излучает Солнце.
Для этих нейтрино все Солнце совершенно прозрачно.
В лучах нейтрино Солнце выглядело бы на нашем небе
как яркая планета.
Однако зарегистрировать нейтрино очень трудно. В на-
стоящее время эта задача в результате огромной экспери-
ментальной и теоретической работы уже почти решена.
Колоссальные усилия, затрачиваемые в различных лабора-
ториях мира на решение проблемы обнаружения солнеч-
ных нейтрино, объясняются важностью этого эксперимен-
та для подтверждения основ теории внутреннего строения
звезд.
Нейтрино (итал., что означает маленький нейтрон,
нейтрончик) было открыто совсем недавно. В 1934 г.
швейцарский физик В. Паули высказал гипотезу о суще-
ствовании частицы, не имеющей ни заряда, ни массы. Сам
Паули был убежден, что хорошо известные в физике зако-
ны сохранения заставили его предположить нечто такое,
чего никогда нельзя будет проверить на опыте. Он даже
согласился заключить пари по этому поводу (видимо, пе-
чальный опыт Огюста Конта, как и всякий чужой опыт,
ему не помог!). Правда, нейтрино не давалось в руки уче-
ным ровно четверть века. Причина этого вполне понятна:
не имея ни заряда, ни массы, нейтрино исключительно
слабо взаимодействует с любыми другими частицами. Оно
может пройти сквозь толщу вещества, соизмеримую с рас-
стоянием между звездами, не задев ни одного атома!
Длина свободного пробега нейтрино, на протяжении
которого оно, двигаясь со скоростью света, может не ис-
пытать ни одного столкновения, соизмерима с размерами
Метагалактики, т. е. всей охваченной наблюдениями час-
ти Вселенной.
Ясно, что обнаружить такую частицу невероятно
37
трудно, и Паули имел шансы не проиграть свое пари.
Тем не менее Ф. Рейнес и К. Коуэн в 1953—1956 гг.
организовали серию искусных экспериментов, в резуль-
тате которых им удалось при облучении жидкого углево-
дорода мощным потоком нейтрино от атомного реактора
зарегистрировать особые парные вспышки гамма-квантов.
Эти вспышки неопровержимо говорили о том, что в опы-
те происходит поглощение нейтрино. (Так Паули проиг-
рал пари, а выиграть его он не мог в принципе.)
Любопытно, что нейтрино возникают неизмеримо
чаще, чем они исчезают, поглощенные какой-либо части-
цей. Поэтому количество нейтрино во Вселенной посте-
пенно возрастает и они как бы накапливаются. Создает-
ся впечатление, что нейтрино играют какую-то значитель-
ную, нам еще неведомую роль в природе.
После обнаружения нейтрино в лаборатории появи-
лась возможность перейти к попыткам регистрации кос-
мических нейтрино, и в первую очередь — солнечных.
Легко оценить, сколько нейтрино должно излучать
Солнце. В результате превращения каждых четырех про-
тонов в ядро гелия возникает по крайней мере два нейт-
рино. Поделив полную энергию, излучаемую Солнцем за
1 с, на 25 Мэв, которые выделяются в результате каждо-
го такого процесса, можно найти, что все Солнце ежесе-
кундно излучает 1038—1039 нейтрино, а через площадку
в 1 см2 у Земли их проходит около 10п, т. е. сто милли-
ардов нейтрино в секунду через четыре клеточки школь-
ной тетрадки! Это огромное число. Нас буквально обду-
вает нейтринный ветер.
Еще за 10 лет до того, как существование нейтрино
было экспериментально подтверждено, Б. М. Понтекор-
во высказал идею о том, как лучше всего «уловить»
нейтрино от Солнца. Для этого надо взять вещество, бо-
гатое изотопом хлора, с массовым числом 37 (37С1). С ним
нейтрино взаимодействуют легче, чем с другими ядрами.
В результате захвата нейтрино атомом 37С1 образуется
атом радиоактивного изотопа аргона с той же массой
37Аг и электрон: 37Cl+v—►37Аг4-е". Дешевьпр вещест-
вом, содержащим много хлора, является перхлорэтилен
(СгСЦ), широко используемый в бытовой химчистке. Пе-
риод полураспада радиоактивного аргона достаточно ве-
лик (35 дней), что позволяет проводить накопление про-
дукта реакции почти в течение месяца. Выделение радио-
38
активных атомов Аг и подсчет их количества—сравни-
тельно простое дело.
Детектор солнечных нейтрино, основанный на идее
академика Б. М. Понтекорво, был осуществлен в Брук-
хейвепской национальной лаборатории США профессором
Р. Дэвисом. Детектор представляет собой резервуар, со-
держащий около 400 м3 перхлорэтилена. Для избежания
влияния космических лучей детектор установлен на дне
шахты глубиной 1,5 км. Работы ведутся уже 25 лет.
Чувствительность детектора постепенно увеличивалась и
в настоящее время достигла нескольких десятых долей
от фона, создаваемого космическими лучами. До сих пор
результаты экспериментов Дэвиса говорили о том, что
Солнце, по-видимому, излучает нейтрино в несколько раз
(3—5) меньше, чем предсказывается теорией. Однако в
самое последнее время уточнение эффективности извлече-
ния радиоактивного аргона, являющегося продуктом ре-
акции, увеличило оценку потока нейтрино от Солнца в
2—3 раза, что практически сняло расхождение между
теорией и наблюдениями. Иными словами, в настоящее
время мы находимся на пороге важного события в астро-
физике, когда экспериментально подтверждается термо-
ядерная гипотеза об источнике энергии звезд.
Прогресс в работах Дэвиса стимулирует работу и над
осуществлением других возможных методов регистрации
солнечных нейтрино. В 1962 г. В. А. Кузьминым была
предложена идея детектора нейтрино, основанного на
превращении галлия в германий. Макет такой установки
с 20 кг галлия в 1977 г. был пущен в той же Брукхей-
веиской лаборатории. В настоящее время в Институте
ядерных исследований АН СССР ведется работа над
установкой, содержащей несколько сот килограммов гал-
лия. Такой нейтринный детектор скоро будет установлен
в Нейтринной обсерватории этого института в Баксан-
ском ущелье в недрах горы Андырчи близ Эльбруса.
Работы по обнаружению солнечных нейтрино имеют
огромное принципиальное значение. С одной стороны,
опи служат проверкой основы нашего понимания природы
звезд. С другой стороны, они служат проверкой сущест-
вующих представлений и о самой неуловимой частице —
нейтрино, относительно которой еще многое неясно. Так,
недавно были проведены измерения, показавшие, что,
возможно, нейтрино имеют конечную массу в 20 000 раз
39
меньшую, чем у электрона. Казалось бы, это ничтожная
величина, но какие большие изменения в наших пред-
ставлениях повлечет за собой подтверждение этих дан-
ных.
Поскольку за все время существования Вселенной в
ней должно было накопиться огромное количество нейт-
рино, то наличие массы у нейтрино означает, что ненаб-
людаемая, «скрытая» от нас масса вещества во Вселенной
больше, чем наблюдаемая. Это должно уэеличить суще-
ствующую в настоящее время оценку средней плотности
вещества во Вселенной. Тогда справедливой окажется та
космологическая модель, в которой расширение Вселен-
ной неизбежно должно смениться сжатием.
Изменится также и наше представление о некоторых
свойствах нейтрино. Например, нейтрино окажется ме-
нее устойчивым и способным превращаться в другие
виды нейтрино, не регистрируемые в опытах с перхлор-
этиленом. Это сможет объяснить, почему наблюдаемый
поток нейтрино от Солнца меньше ожидаемого в настоя-
щее время.
7. «КИПЯЩАЯ» ПЛАЗМА
Когда жидкость кипит, она перемешивается. Так же
может вести себя и газ. Это легко заметить в жаркий
день, когда земля нагрета лучами Солнца. На фоне уда-
ленных предметов тогда хорошо видны поднимающиеся
струйки горячего воздуха. То же самое можно наблюдать
над пламенем газовой горелки или над раскаленной кон-
форкой плиты. Во всех этих случаях происходит одно и
то же явление, называемое конвекцией от латинского
слово «conveclo», означающего «свозить» или «приво-
зить во множестве».
Конвекция — активный, динамический, процесс, в ре-
зультате которого энергия переносится самим веществом.
Известны и другие виды теплопередачи: теплопровод-
ность и излучение. Первый весьма различен у разных ве-
ществ. Наибольшую теплопроводность имеют вещества,
содержащие в большом количестве свободные электроны,
например металлы. Обычные газы обладают плохой теп-
лопроводностью. Излучение играет существенную роль
для большинства звезд. И все же этот способ перепоса
энергии уступает конвекции.
40
Однако конвекция не всегда возможна. Известно, что
вода в кастрюле легко закипает в первый раз, а, уже
кипяченная, она закипает труднее. Отличие в том, что
в сырой воде больше воздуха и легче образуются неодно-
родности в виде пузырьков насыщенного пара. Следова-
тельно, наличие неоднородностей — важное условие воз-
никновения конвекции. Конвекция — это и есть возник-
новение и поддержание движущихся неоднородностей,
способных переносить энергию. Поэтому конвекция наи-
более интенсивно происходит в тех случаях, когда неод-
нородности отличаются от окружающей среды большей
способностью запасать энергию. Большей энергией обла-
дает газ, нагретый до более высокой температуры. Но
особенно усиливается способность газа запасать энергию,
если он переходит в ионизованное состояние. При этом
энергия идет на то, чтобы оторвать от атомов электроны
и заставить их двигаться как свободные частицы. Этот
процесс — хороший аккумулятор энергии. Поднимаясь в
более холодные слои, частично ионизованный газ пере-
ходит в нейтральное состояние, т. е. электроны возвра-
щаются к атомам (рекомбинируют), отдавая при этом
запасенную энергию. Если же газ нейтрален или полно-
стью ионизован, то переходы в другое состояние редки
и аккумуляции энергии не происходит.
Вот почему при определенных условиях, соответству-
ющих частично ионизованному состоянию атомов (т. е.
когда примерно половина атомов ионизирована, а поло-
вина—нейтральна), перемешивание газа, т. е. конвек-
ция, наиболее интенсивно.
Конвекция — один из важнейших процессов, происхо-
дящих в звездах. Роль конвекции сначала была изучена
в земной атмосфере. Нижние слои нашего воздушного
океана (тропосферы) находятся в конвективном равно-
весии. Благодаря этому энергия, получаемая поверх-
ностью Земли от Солнца, быстро передается примыкаю-
щим к ним слоям воздуха, а затем, в результате пере-
мешивания, равномерно распределяется во всей толщи-
не слоя в несколько километров. Этим объясняется отно-
сительно медленное падение температуры в тропосфере.
Хорошо известным следствием конвекции в тропосфере
является процесс образования кучевых облаков, структу-
ра и форма которых носит отпечаток породивших их
конвективных движений.
41
Исходя из аналогии с земной атмосферой, сначала
думали, что все звезды целиком состоят из перемеши-
вающихся газов. Однако впоследствии выяснилось, что
конвекция происходит в звездах не всегда и не всюду.
Например, в звездах типа Солнца она активно прояв-
ляется только в наружных слоях. Следствием конвекции
оказывается, например, наблюдаемая на Солнце зернис-
тая структура нижних слоев его атмосферы (фотосфе-
ры), называемая грануляцией. Фотосфера кажется состо-
ящей из отдельных ярких облачков — гранул, разделен-
ных темными и узкими межгранульными промежутками.
Возникновение этих наружных конвективных зон в
звездах связано с процессом ионизации основного ком-
понента звездного вещества —- водорода.
Водород ионизуется при температурах 8000—10 000 К.
При больших температурах он ионизован полностью и
не обладает повышенной способностью запасать и пере-
носить эпергию. Поэтому у звезд, атмосфера которых
горячее солнечной, наружные конвективные зоны не об-
разуются. Зато у них возможно образование конвектив-
ных зон в центральных слоях. Горячие звезды массив-
нее, а потому температура и давление в них очень
быстро возрастают по мере приближения к центру. Вы-
деление же термоядерной энергии с ростом температуры
также очень быстро увеличивается. Поэтому в недрах
массивных звезд энерговыделеиие настолько быстро на-
растает к центру, что только конвекция может обеспечить
вынос энергии из недр. В результате у массивных горя-
чих звезд образуются конвективные «ядра».
Целиком конвективной, по-видимому, звезда бывает
лишь на очень ранних стадиях своего развития, когда
она возникает в результате происходящего под действи-
ем гравитационных сил сжатия газово-пылевого облака.
Говоря проще, происходит падение окружающего вещест-
ва на некоторое более компактное образование, которое
становится еще массивнее и плотнее. А это, в свою оче-
редь, ускоряет процесс гравитационного сжатия. Форми-
рующаяся таким путем звезда на первых порах очень
неоднородна и находится в состоянии весьма интенсивно-
го перемешивания, т. е. конвекции. По этой причине
энергия быстро уходит из звезды и она буквально вспы-
хивает на короткое время.
Таким образом, совершенно неожиданно оказывается,
42
что простое явление, постоянно происходящее в каждом
чайнике, сродни важнейшему процессу в звездах. Даже
плазма может быть «кипящей».
8. ПОЧЕМУ СНАРУЖИ ХОЛОДНЕЕ?
Казалось бы, этр очевидно: в центре — мощный источ-
ник энергии, снаружи — космический холод. Ясно, что,
чем дальше от источника, тем должно быть холоднее.
И все же почему? Изменяется ли температура на грани-
це нагретого тела скачком или постепенно? Чем опреде-
ляется толщина переходного слоя?
Прежде чем пытаться ответить на эти вопросы, поду-
маем: как должна меняться температура внутри звезды,
но за пределами той центральной области, где происхо-
дит выделение термоядерной энергии? Иными словами:
как распределяется температура в слоях звезды?
Мы ужф говорили, что в звездах часто имеет место
лучистое равновесие, которое означает, что энергия пе-
редается от центра наружу, от слоя к слою только путем
последовательных процессов излучения и поглощения.
Через всякую сферическую поверхность звезды, находя-
щуюся- в пределах области лучистого равновесия, прохо-
дит постоянно одно и то же количество энергии, равное
той, которая выработана в результате ядерных реакций,
происходящих в центральной области. Мощность энер-
гии, проходящей через данную поверхность, называется
потоком энергии. Следовательно, поток энергии звезды
через сферы радиуса п и г2 одинаков, если на этих рас-
стояниях от центра звезды имеет место лучистое рав-
новесие.
Согласно закону Стефана — Больцмана, излучение с
единицы поверхности идеального излучателя (а газ внут-
ри звезды должен вести себя как идеальный излучатель)
пропорционально четвертой степени температуры. Тогда
постоянство потока через сферические поверхности S\
и 5г означает, что rff\ =г| Ту поскольку площади по-
верхности указанных сфер пропорциональны г| и г22,
или
г2
—L = IL
43
где Т\ и Тъ — температуры на расстояниях г\ и тъ от
центра. Пусть теперь гг равно радиусу всей звезды R, а
у2 —ее эффективной температуре Го. Тогда на глубине
Г\=г температура составит
Это простое соотношение говорит о том, что температура
внутри звезды изменяется обратно пропорционально Уг,
т. е. уменьшается с удалением от центра сравнительно
медленно (рис. 13).
С приближением к центру звезды в слоях, где выде-
ляется термоядерная энергия, изменение температуры
происходит еще замедленнее, так как уменьшается поток
энергии через сферы с малыми радиусами г: ведь часть
источников излучения расположена вне их. (Здесь нет
лучистого равновесия!) Напротив, в самых наружных сло-
ях звезды температура меняется быстрее. Причина в
том, что из наружных слоев излучение легко уходит.
Уменьшение температуры вещества в звезде по мере
удаления от центра, как мы видим, обусловлено двумя
Рис. 13. График, изображающий изменение температуры в различ-
ных слоях Солнца и его атмосферы (шкала по оси ординат лога-
рифмическая. Пунктиром показано изменение температуры при от-
сутствии конвекции.).
44
причинами: во-первых, дальше от центра энергия, излу-
чаемая звездой, распространяется на все большую пло-
щадь. Эта причина имеет геометрический характер. Во-
вторых, из самых наружных слоев излучению легче уйти.
Здесь вещество не может поглотить весь лучистый поток,
и часть его совсем уходит от звезды.
Нам остается выяснить, какова толщина того переход-
ного слоя, где происходит охлаждение, вызванное уходом
излучения в окружающее пространство.
Мы только что говорили, что охлаждение связано с
тем, что вещество не успевает перехватить, т. е. погло-
тить всю энергию излучения, которая через него прохо-
дит. Следовательно, ответ на поставленный вопрос свя-
зан с поглощающими свойствами вещества, или с его не-
прозрачностью.
Проиллюстрируем сказанное простым примером.
Пламя костра ощущается на большом от него рассто-
янии, потому что он окружен прозрачным воздухом.
Приближаясь к огню, мы постепенно ощущаем все боль-
ший и больший ж?р. То же будет ив случае топящейся
печи, если ее дверца открыта. Но закроем дверцу, уве-
личим непрозрачность среды, отделяющей нас от огня,
и мы перестанем ощущать его тепло. Дверца накалится,
но воздух рядом с нею будет чуть теплым. Расстояние,
на протяжении которого происходит существенное умень-
шение температуры, сильно сократилось.
Следовательно, протяженность слоя, в пределах кото-
рого температура источника энергии уменьшается до
температуры окружающей среды, зависит от непрозрач-
ности вещества во внешних слоях.
Эту непрозрачность можно охарактеризовать массой
вещества в пределах какого-либо определенного объема.
Так, например, цилиндр сечением 1 см2, заполненный
веществом из атмосферы типичной звезды, ослабляет
свет, проходящий через него, в 3 раза, если в нем содер-
жится около 1 г вещества. Плотность вещества в звезд-
ных атмосферах в десятки тысяч раз меньше, чем у зем-
ной атмосферы, она составляет около 10"7 г/см3. Отсюда
сразу следует, что существенное ослабление излучения в
атмосфере звезды происходит на протяжении примерно
107 см =100 км. Такой оказывается характерная толщи-
на наблюдаемых слоев атмосферы звезды и толщина пе-
реходного слоя, на протяжении которого заметно охлаж-
45
Рис. 14. Линии поглощения в спектре Солнца.
даются наружные слои звезды, называемые фотосферой.
Итак, чем дальше от центра, тем холоднее. Казалось
бы, это правило должно выполняться всюду в звезде и
в ее атмосфере. Самые наружные разреженные слои
должны быть еще холоднее, а их температура иметь зна-
чения, типичные для межзвездного пространства. Однако
это неверно. И, как мы сейчас увидим, в межзвездном
пространстве вблизи звезды бывает очень горячо.
9. ПОЧЕМУ ДАЛЬШЕ ОПЯТЬ ГОРЯЧЕЕ?
Мы уже знаем, что в спектрах большинства звезд на-
блюдаются темные линии поглощения, принадлежащие
тем химическим элементам, которые заведомо имеются в
атмосферах этих звезд. На рисунке 14 хорошо видны ли-
нии поглощения в спектре Солнца. Присутствие линий
поглощения — непосредственное следствие того, что внеш-
ние слои звезды холоднее. Действительно, в спектральных
46
линиях вещество менее прозрачно, чем в непрерывном
спектре. Поэтому в линиях мы наблюдаем еще более
внешние слои звезды, чем в непрерывном спектре.
Но вот любопытно: у некоторых звезд наряду с ли-
ниями поглощения наблюдаются линии излучения. У от-
дельных звезд спектр целиком эмиссионный. Стало быть,
у некоторых звезд есть участки атмосфер, на протяжении
которых температура растет вверх!
Кстати сказать, в земной атмосфере, в нижних слоях
которой, как известно, температура уменьшается при-
мерно на 1°С через каждые 170 м, на высотах 20—50 км
она снова начинает расти за счет энергии ультрафиоле-
тового солнечного излучения, поглощаемого молекулами
озона. Аналогичный рост температуры происходит и на
высотах 100—300 км. Соответствующие слои земной ат-
мосферы называются областями температурной инверсии.
Выходит, что у некоторых звезд также имеется тем-
пературная инверсия. Однако это противоречит тому, что
мы доказывали раньше. В земной атмосфере причину
инверсии, т. е. аномального хода температуры, можно
объяснить наличием мощного внешнего источника энер-
гии. Но у звезд таких внешних источников энергии нет.
Откуда же у них может быть температурная инверсия?
Чтобы разобраться в этом, снова обратимся, к нашему
Солнцу, которое, как мы уже не раз отмечали, похоже
на подавляющее большинство звезд. В видимом .спектре
•Солнца эмиссионные линии практически отсутствуют.
Однако совсем иначе выглядит спектр Солнца в далекой
ультрафиолетовой области, которая полностью поглоща-
ется верхними слоями земной атмосферы. Она стала до-
ступной непосредственным исследованиям лишь с сере-
дины нашего столетия, когда спектральные приборы для
исследования Солнца стали устанавливать на космиче-
ских ракетах, искусственных спутниках и, наконец, сов-
сем уже недавно, на орбитальных научных станциях.
Область видимого спектра занимает меньше одной ок-
тавы всего электромагнитного спектра излучения (окта-
вой называют интервал спектра, на протяжении которого
частота или длина волны излучения изменяются в два
раза). Если продвинуться за фиолетовую границу види-
мого спектра в ультрафиолетовую область на интервал,
несколько больший одной октавы, и сфотографировать
спектр в диапазоне длин волн около 0,16 мкм, то обна-
47
Рис. 15. Линии излучения в далекой ультрафиолетовой области
солнечного спектра.
ружится неожиданная картина: спектр Солнца почти
внезапно перестает быть абсорбционным, т. е. состоящим
из линий поглощения, и становится эмиссионным. Ины-
ми словами, в коротковолновой далекой ультрафиолето-
вой области линии поглощения сменяются линиями излу-
чения (рис. 15). Особенностью этих линий является то,
что в них газ наиболее непрозрачен и они возникают в
атмосфере выше, чем линии поглощения. Значит, в са-
мых верхних слоях атмосферы даже такой типичной
звезды, как Солнце, есть инверсия температуры.
Другим доказательством этого факта является сол-
нечное радиоизлучение. Если измерения проводить в сан-
тиметровом и дециметровом диапазонах, его мощность
оказывается такой же, как у тела нагретого до десятков
и сотен тысяч градусов, а на метровых волнах темпера-
тура превышает миллион градусов. Вместе с тем наблю-
дения, выполняемые при помощи радиотелескопов, пока-
зывают, что, чем длиннее излучаемые радиоволны, тем
больше размеры «радиосолнца». Если бы наш глаз вмес-
то видимого излучения воспринимал радиоизлучение,
Mtfp представлялся бы нам совсем иным. На «радионебе»
мы бы наблюдали два солнца (вторым был бы центр на-
шей Галактики). Солнце в радиолучах было бы в десят-
ки раз больше. Оно было бы не резко очерченным кру-
гом, а клочковатым и сильно размытым облаком. Это
облако из разреженной плазмы, окружающее Солнце,
имеет температуру, превышающую миллион Кельвинов.
Оно называется солнечной короной. Переходная часть
солнечной атмосферы между этой «горячей» короной и
уровнем минимальной температуры (около 4500 К) на-
зывается хромосферой. Это и есть область инверсии:
здесь температура быстро растет с удалением от центра.
Тут возникают эмиссионные спектральные линии, наблю-
даемые в далеком ультрафиолетовом конце солнечного
спектра, и радиоизлучение на сантиметровых и децимет-
ровых волнах с температурой в десятки и сотни тысяч
Кельвинов.
Солнечную корону и хромосферу временами можно
наблюдать и в видимом излучении. Лучше всего это
удается во время полных солнечных затмений, когда
Луна при своем обращении вокруг Земли заслоняет
Солпце. Наблюдатель, попавший в конус лунной тени,
замечает, как Луна постепенно закрывает видимый диск
4-442
49
Рис. 16. Корона в максимуме (слева) и в минимуме (справа)
солнечных пятен.
Солнца, диаметр которого почти всегда чуть меньше, чем
видимый диаметр Луны. Когда Луна полностью закры-
вает всю фотосферу, внезапно на короткое время вокруг
черного диска Луны вспыхивает лучистое жемчужное
сияние (рис. 16). Это солнечная корона. Хромосфера в
это время тоже хорошо видна в виде тонкого ярко-розо-
вого кольца у самого края Луны. Такое явление можпо
наблюдать всего лишь несколько минут. Как только Лу-
на начинает сходить с диска Солнца и появляются пер-
вые лучи фотосферы, яркость неба мгновенно увеличива-
ется в миллионы раз, а хромосфера и корона исчезают
на его фоне.
Какова же причина инверсии температуры, которая
является важным свойством атмосфер Солнца и большин-
ства звезд? Оказывается, она связана с конвекцией.
Точнее, непосредственной причиной является не сама
конвекция, а вызванная ею хаотичность движений более
мелких масс газа, которая называется турбулентностью.
Конвективные и турбулентные движения, проникая в
нижние слои атмосферы звезды, в ее фотосферу, вызыва-
ют в них возмущения, по своей природе очень напоми-
нающие звуковые волны в воздухе. Отличие в том, что
обычно мы имеем дело с единичными источниками зву-
ка или их множеством, а здесь «шум» возникает бук-
вально всюду, как шум моря.
В плазме возникает множество колебаний различных
50
типов, среди которых обычный звук — лишь частный
случай. Особенно сложный характер приобретают коле-
бания, если плазма намагничена. Длины волн в большин-
стве случаев достигают нескольких тысяч километров.
Большая часть волн, распространяющихся в плазме, пе-
реносит некоторую энергию. Вот эта-то энергия и нагре-
вает разрежепные верхние слои атмосферы, увеличивая
энергию сравнительно небольшого числа частиц, кото-
рые находятся в каждом кубическом сантиметре короны
или хромосферы. А плотность плазмы здесь очень низка.
В 1 см3 хромосферы в миллиард раз меньше частиц, чем
в таком же объеме воздуха на дне нашего воздушного
океана. Чтобы нагреть такое количество газа на 1000 К,
нужна ничтожная энергия в одну десятимиллиардную
долю джоуля!
Некоторое представление о весьма сложном процессе
перехода энергии звуковой волны в энергию плазмы,
т. е. непосредственно в кинетическую энергию ее частиц,
дает хорошо известный из техники пример нагревания
тел ультразвуком.
Итак, в конвективных зонах звезд, похожих на Солн-
це, возникают волны, которые, распространяясь в верх-
ние, разреженные слои атмосферы, передают им механи-
ческую энергию. Эта энергия, заимствованная из энергии
горячих глубоких слоев, в хромосфере и короне идет на
увеличение скоростей хаотически движущихся частиц
газа.
Подводя итог всему, что мы до сих пор говорили о
строении звезды, можно нарисовать очень грубую модель,
представляющую важнейшие физические свойства ее
вещества (рис. 17). Центральные слои звезды — это тер-
моядерный реактор, где происходит выделение энергии.
Окружающие лучистые слои — это как бы неимоверно
толстые стенки котла, через которые эпергия медленно
просачивается наружу. Эти стенки служат дном другого
котла, который можно считать заполненным как бы жид-
костью: здесь вещество «кипит» и главный процесс —
перемешивание отдельных масс. У этого котла имеется
крышка из тонкого упругого и легко деформируемого ве-
щества. Снизу эта крышка постоянно атакуется вихря-
ми кипящей плазмы. Благодаря своей упругости она все
время колеблется подобно мембране звучащего динамика.
Волны, распространяющиеся от этой мембраны, сильно
4*
51
Рис. 17. Схема строения Солнца и его атмосферы.
разогревают газ окружающих внешних слоев атмосферы
звезды.
Как мы видим, простые газовые шары, какими явля-
ются звезды, устроены не так уж просто.
52
Приведенная только что модель годится для нашего
Солнца и всех похожих на него звезд. Звезды других
типов устроены иначе (рис. 18). Так большинство более
массивных, чем Солнце, звезд (например, звезды верхней
части главной последовательности диаграммы Герц-
шпрунга — Рессела) имеют конвективные центральные
области, т. е. у них плазма «кипит» внутри ядерных
реакторов. Из-за этого теплоотдача реакторов % больше,
звезды горячее, наружные их слои лучше прогреваются и
в них нет конвекции. Красные гигапты отличаются ис-
ключительно протяженными атмосферами. У белых
карликов нет ничего, кроме лучистых «стенок», облада-
ющих огромной плотностью и очень большим запасом
энергии.
В чем же причина такого многообразия звезд? Теперь
уже мы можем подойти к ответу на этот вопрос.
Во-первых, газово-пылевые облака, из которых в ре-
зультате гравитационного сжатия происходит образова-
ние звезд с самого начала могут иметь различные массы
(правда, не слишком сильно отличающиеся). Массивные
облака становятся горячими звездами, а чем масса мень-
ше, тем звезда окажется холоднее в начале эволюции.
Другой причиной разнообразия звезд является их
эволюция, едва ли не самое замечательное и важное яв-
ление в природе.
Мы видели, что звезды с началом термоядерных ре-
акций приходят в устойчивое «саморегулирующееся» со-
стояние, в котором они, медленно изменяясь, пребывают
затем миллиарды лет.
Причина этих медленных изменений связана с умень-
шением количества водорода в центральных слоях звез-
ды, который в результате термоядерных реакций превра-
щается в более тяжелый гелий. Тем самым постепенно
увеличивается молярная масса центральных слоев звез-
ды. Полное истощение водорода раньше всего наступает
в самом центре звезды, после чего область ядерных ре-
акций постепенно начинает переходить в шаровой слой,
окружающий гелиевое ядро. В ходе дальнейшей эволю-
ции этот слой (оболочка) становится все тоньше и все
больше удаляется от центра. Звезда начинает перестраи-
ваться: ей надо увеличить свою температуру в недрах,
чтобы ядерные реакции стали возможными в оболочке.
Для этого она сжимается, беря «взаймы» часть гравита-
53
циошгой энергии. Ее светимость песколько возрастает.
Вместе с тем приближение источников энергии к
наружным слоям звезды приводит к тому, что эти слои
как бы «разбухают» и очень сильно расширяются. Звезда
становится при той же массе огромных размеров. Излу-
чаемая ею энергия теперь распределяется на огромную
площадь. Поэтому яркость наблюдаемых наружных слоев
уменьшается, пх температура падает, асами они красне-
ют. Звезда становится красным гигантом.
Что со звездой будет дальше — оказывается, зависит
от ее массы. Если она не превышает массу Солнца, то
дальнейшая эволюция протекает относительно спокойно:
рано или поздно красный гигант израсходует все воз-
можные свои запасы ядерной энергии, начнет сильно
сжиматься и вещество перейдет в некоторое сверхплот-
ное состояние. Компактная, очень плотная звезда, со-
стоящая из тесно расположенных ядер атомов, — это бе-
лый карлик. Она медленно остывает, излучая свою энер-
гию. Плотности белых карликов достигают огромных зна-
чений — миллиардов тонн на кубический метр!
Звезды более массивные, чем Солнце, как правило, в
процессе своей эволюции тем или иным путем сбрасывают
часть массы. В одних случаях при этом от звезд отделя-
ется расширяющаяся газовая оболочка в виде планетар-
ной туманности, в других случаях процесс более катаст-
рофичен: звезда взрывается и наблюдается явление
вспышки сверхновой звезды.
Если вещество звезды сжать так сильно, что атомные
ядра вынуждены распасться на элементарные частицы,
то может возникнуть нейтронпая звезда, состоящая из
тесно расположенных нейтронов и некоторых других
элементарных частиц. Такие звезды, по-видимому, обра-
зуются после того, как массивные звезды вспыхивают в
виде сверхновых, на месте которых затем обнаружива-
ются удивительные источники импульсного радиоизлуче-
ния — пульсары.
Наконец, если даже нейтронный газ будет не в силах
сдержать гравитационные силы очень массивной звезды,
то она может перейти в неустойчивое состояние ката-
строфического сжатия. Такие объекты, строго говоря,
должны быть невидимыми. Ученые сейчас стремятся уз-
нать, действительно ли существуют в природе эти так
называемые «черные дыры».
10. КАК ВРАЩАЕТСЯ СОЛНЦЕ?
Детальные свойства звезды можно изучить лишь с
близкого расстояния, а это возможно пока только для
нашего Солнца. Наблюдениям с Земли в лучшем случае
доступны детали на Солнце протяженностью около
700 км. Лишь телескопы, установленные на орбитальных
станциях или поднятые на воздушных шарах, позволяют
сфотографировать более мелкие детали — вплоть до
100—200 км.
Современные астрономические телескопы представля-
ют собой большие сложные машины. Их трудно срав-
нить с маленькой трубой, которую впервые в самом на-
чале XVII в. направил на небо великий итальянский
ученый Галилео Галилей. Тем более поразительно, как
много нового и интересного сумел обнаружить гениаль-
ный ученый, глядя сквозь несовершенные стекла на
звезды, планеты, Луну и особенно Солнце. Фактически
наблюдения Галилея положили начало физическим ис-
следованиям Солнца. Наблюдая Солнце в телескоп, он
обнаружил на нем пятна. До' Галилея отдельные пятна
на Солнце наблюдали только в исключительно редких слу-
чаях, когда они достигали таких больших размеров, что ста-
новились видны невооруженным глазом. Для этого не-
обходимо, чтобы размеры пятна превышали 50000 км,
тогда как средние размеры большинства пятен в несколь-
ко раз меньше.
В эпоху максимума солнечной активности, т. е. в
среднем каждые И лет, количество пятен на Солнце
увеличивается. Одновременно может наблюдаться до де-
сятка групп пятен, в каждой из которых находится не-
сколько больших пятен и множество мелких. Из всех этих
пятен одно-два могут достигнуть таких размеров, что
станут видны невооруженным глазом. Последний раз
такой случай представился в конце 1969 г., когда на
Солнце было пятно, диаметр которого достигал 55000 км.
Это вчетверо превышает диаметр Земли! Однако, стара-
ясь заметить на Солнце пятно, следует помнить, что
смотреть на .него без фильтра ни в коем случае нельзя!
Даже за 1 с глаз получит от Солнца энергию, вполне
достаточную для разрушения нежной структуры сетчат-
ки, и зрение навсегда будет потеряно неудачливым на-
блюдателем.
56
Древние летописцы, описывающие появление солнеч-
ных пятен, пользовались возможностью видеть Солнце,
когда его свет был сильно ослаблен туманом, дымом по-
жарищ или просто толстым слоем запыленного воздуха
вблизи горизонта.
У современного любителя астрономии имеется богатая
возможность подобрать для наблюдений Солнца различ-
ного рода темные светофильтры. Такие светофильтры
должны ослаблять свет примерно в миллион раз. Прос-
тейший из них можно изготовить из сильно засвеченной
обычной фотопленки.
Галилей был первым, кто наблюдал пятна в малень-
кий телескоп, и потому он не располагал необходимым
для таких наблюдений опытом. К счастью, его труба
отличалась очень низкой светосилой и в глаз наблюдателя
попадало энергии меньше, чем при непосредственном
взгляде на Солнце. По-видимому, Галилей все же каким-
то способом ослаблял свет Солнца в телескопе, потому
что он демонстрировал солнечные пятна своим знакомым,
например в марте— июне 1611 г. в Риме. Однако способ
проецировать изображение Солнца на экран, который
очень широко применяется сейчас как в профессиональ-
ных, так и в любительских наблюдениях Солнца, был
предложен несколько позже учеником Галилея Гвич-
чиоли.
Почти одновременно с Галилеем солнечные пятна на-
блюдали также Иоган Холдсмит в Голландии, Христофор
Шейнер в Германии и Томас Гарриот в Англии. Однако
каждый из этих исследователей, заметив новое и необыч-
ное, оценил его по-своему. Холдсмит стал тщательно на-
блюдать Солнце и зарисовывать пятна. Он первым - в
1611 г. опубликовал труд, в котором сообщил, что, по
его мнепию, Солнце вращается. Гарриот по какой-то при-
чине вообще не счел нужным публиковать свое открытие,
и о его работе мало что известно. Шейнер принял солнеч-
ные пятна за малые планеты, проходящие перед диском
Солнца. Он стал подгонять свои наблюдения под офици-
ально признанную в то время систему мира Птолемея. И
только Галилей сразу же понял всю важность открытия
солнечных пятен и далеко опередил своих современников
в понимании свойств и природы солнечных пятен. Рабо-
та Галилея «Описания и доказательства, относящиеся к
солнечным пятнам», вышедшая в 1613 г., была ответом
57
на нелепые доводы Шейнера о том, что пятна — малые
планеты. Галилей со всей строгостью доказал, что пятна
«принадлежат либо поверхности Солнца, либо весьма близ-
ки к ней». Это полностью разрушило аргументацию Шей-
нера, который, не заметив, что его зрительная труба пе-
реворачивает изображение, утверждал, что пятна переме-
щаются не с востока на запад, а в противоположную сто-
рону, как должны были бы двигаться планеты в согласии
с системой Птолемея. Галилей, связав пятна с Солнцем,
тем самым доказал, что Солнце вращается с периодом
около 28 суток вокруг оси, наклоненной к плоскости эк-
липтики под углом чуть меньшим 90°.
Рис. 19, а. Зарисовки солнечных пятен, сделанные Галилеем.
58
Это открытие Галилея для нас сейчас наиболее важ-
но, так как закономерности солнечного вращения связа-
ны с интересными особенностями всего Солнца. Помимо
перемещения, вызванного вращением Солнца, Галилей
успел заметить и Многие другие свойства пятен. Так, он
обнаружил, что чаще всего пятна появляются группами
и притом не слишком далеко от солпечного экватора и
что в этих группах иногда происходят значительные из-
менения. На рисунках пятен, сделанных Галилеем (рис.
19), заметно, что темная часть пятна (тень) окружена
менее темной полутенью. Но, пожалуй, самое порази-
тельное, что Галилею удалось доказать, что темные
Рис. 19, б. Зарисовки солнечных пятен, сделанные Галилеем.
59
центральные части пятен, которые в телескоп кажутся
совсем черными, на самом деле не такие уж черные и
заведомо ярче самых светлых мест на Луне. Это было
фактически первой работой по фотометрии протяженных
объектов. Галилей обосновал предположение, что пятна
должны состоять из газов, причем более прозрачных, чем
окружающее их вещество Солнца.
Неопровержимость доказательств Галилея и убеди-
тельность его доводов заставили Шейнера отказаться от
своих неправильных взглядов, основанных на церковных
догмах. Встав на правильный путь исследования, Шейнер
сумел впоследствии получить некоторые новые сведения
о Солнце. В частности, он обнаружил, что вращение
Солйца происходит с угловой скоростью, уменьшающей-
ся с удалением от экватора.
Этот очень важный и замечательный характер сол-
нечного вращения называют дифференциальным, т. е.
неодинаковым. Точка, находящаяся на солнечном эква-
торе, совершает полный оборот вокруг Солнца примерно
за 25 сут, а вблизи полюсов этот период увеличивается
до 30 сут (рис. 20). Относительно наблюдателя, находя-
щегося на Земле, которая обращается вокруг Солнца в
направлении его вращения, какое-либо солнечное пятно
совершит полный оборот за время, примерно на двое
суток большее. Поэтому нам кажется, что период вра-
щения Солнца на экваторе составляет 27 дней.
Почему на солнечном экваторе вращение происходит
быстрее, чем у полюсов? Существует ли причина, уско-
Рис. 20. Дифференциальное вращение Солнца.
60
ряющая движение вещества вблизи экватора, или, наобо-
рот, что-то тормозит и отклоняет к востоку вещество
вблизи полюсов? Какие физические процессы отражает
наблюдаемая плавная зависимость угловой скорости вра-
щения от гелиографической широты? Связаны ли эти
процессы с условиями возникновения Солнца из гигант-
ского газово-пылевого облака, в результате чего совре-
менный закон вращения — своеобразное наследие прош-
лого? Или, быть может, постоянно действовала и про-
должает действовать сейчас некоторая причина, которая
вопреки все уравнивающим силам трения постоянно и
неуклонно приводит к возникновению разности скоростей
между соседними слоями Солнца, находящимися на раз-
личных широтах?
Окончательного ответа на эти вопросы пока еще нет.
Многие ученые склоняются к тому мнению, что диффе-
ренциальное вращение Солнца — следствие передачи
энергии движения вещества одних слоев другим.
Силы внутреннего трения газа всегда препятствуют
относительным перемещениям масс. Поэтому за доста-
точно долгий срок (но заведомо быстрее, чем за время
эволюции Солнца, которое оценивается в 4—5 миллиар-
дов лет) Солнце пришло бы к однородному, твердотель-
ному вращению, если бы не существовал механизм пере-
распределения угловой скорости движения. Согласно на-
блюдениям, на экваторе вращение быстрее. Следователь-
но, либо туда поступает вещество с относительно более
быстрым вращением (например, из более глубоких сло-
ев), либо, напротив, в области высоких широт поступает
вещество, относительно медленно вращающееся. Скорее
всего подобные процессы происходят в результате верти-
кальных перемещений газов в конвективной зоне.
Таким образом, мы видим, что необычный характер
вращения наружных слоев Солнца, по-видимому, также
связан все с той же конвекцией.
ii. ПОЛЕ БЕЗ МАГНИТА
Начало XX столетия ознаменовалось рядом важных
открытий в астрофизике, подготовленных прогрессом в
технике астрономических наблюдений. Одно из них —
открытие магнитной природы солнечных пятен. Впервые
было установлено, что магнитными свойствами обладает
61
не только Земля, но и другие небесные тела. Солнце и
здесь оказалось на первом месте.
Талантливый американский астроном Джордж Эллери
Хейл, основатель двух известных обсерваторий (Йерк-
ской близ Чикаго и Маунт-Вилсон в Калифорнии), а
также инициатор создания 5-метрового телескопа на горе
Маунт-Паломар, большую часть своей жизни посвятил
исследованиям Солнца. Изучая темные линии поглоще-
ния в спектре Солнца, он заметил, что, когда щель спек-
трографа пересекает полученное в телескопе изображение
солнечного пятна, то большинство спектральных линий
расширяется именно в той части спектра, которая соот-
ветствует изображению пятна. Если пятно очень боль-
шое, то линия расширяется сильнее или даже расщепля-
ется на две или три. Расщепление наблюдается более
четко, если свет пропускается через специальный поля-
роид. Это открытие Хейл сделал в 1908 г. К тому време-
ни уже было известно, что многие спектральные линии
расщепляются, если излучающий газ находится в маг-
нитном поле. В большинстве случаев величина расщепле-
ния, т. е. расстояние по спектру между расщепленными
линиями, просто пропорционально индукции магнитного
поля. Когда Хейл сравнил величину расщепления, наблю-
давшегося в спектре солнечных пятен, с результатами
лабораторных экспериментов с газом, помещенным в маг-
нитном поле, то обнаружилось, что солнечным пятнам
следует приписать магнитные поля с индукцией, значе-
ние которой в тысячи раз превышает индукцию магнит-
ного поля у поверхности Земли. Сам факт существования
магнитного поля в пятнах не слишком удивил ученых.
Хейл ожидал этого результата на основании наблюдений,
выполненных при помощи изобретенного им прибора —
спектрогелиографа, впервые позволившего наблюдать
Солнце в лучах, соответствующих отдельной спектраль-
ной линии. На таких спектрогелиограммах видны более
высокие, чем наблюдаемые в видимом свете слои солнеч-
ной атмосферы, а именно хромосфера.
На рисунке 21 приведены одновременно полученные
фотографии Солнца в белом свете и в лучах, соответст-
вующих красной спектральной линии, принадлежащей
водороду. В белом свете, когда видны наиболее глубокие
слои фотосферы, пятно обычно выглядит окруженным
волокнистой полутенью.
62
а)
б)
в) г)
Рис. 21. Фотографии Солнца, одновременно полученные:
а) в ультрафиолетовой линии водорода с ракеты, б) в фиолетовой линии
ионизованного кальция, в) в красной линии водорода и г) в белом свете.
Расположенная над фотосферой хромосфера (рис. 22)
выглядит совершенно иначе. Наблюдаемые в ней детали
заметно крупнее, разнообразнее и располагаются более
хаотично. С первого взгляда кажется даже, что в струк-
туре хромосферы нет никакой закономерности. Только
внимательное изучение позволяет установить известный
порядок. В частности, вблизи пятна в хромосфере видны
волокна, которые образуют вокруг него как бы вихрь.
Эта картина сильно напоминает рисунок, который созда-
G3
Рис. 22. Солнечная хромосфера вблизи пятна.
ют насыпанные на ровную поверхность железпые опил-
ки, если под ними расположить полюс магнита. Это сход-
ство и заставило Хейла заподозрить, что пятна — огром-
ные магниты.
О магнетизме пятен догадывались еще в XIX в. Вско-
ре после того, как немецкий любитель астрономии Шва-
бе, по профессии аптекарь, открыл 11-летнюю периодич-
ность количества пятен на Солнце, было замечено, что
изменение числа внезапных и пеправильпых колебаний
индукции земного магнитного поля связано с цикличе-
ским изменением числа пятен. Особенно сильные ано-
малии земного магнитного поля (магнитные бури), как
правило, наблюдаются в те моменты, когда крупные сол-
нечные пятна находятся вблизи центрального меридиана
Солнца. Сейчас мы знаем, что эта связь действительно
существует, но не определяется непосредственным воздей-
ствием магнетизма пятен на магнитное поле Земли.
Она — следствие других явлений, происходящих в облас-
ти солнечной атмосферы, занятой пятнами. Эти явления
порождают электромагнитное и корпускулярное излуче-
ния, воздействующие на Землю через целую цепь взаимо-
действий. Подробнее обо всем этом мы расскажем даль-
ше, а сейчас постараемся выяснить, как на Солнце воз-
64
никло магнитное поле. Почему солнечные магнитные
поля вместе с пятнами то появляются, то исчезают?
Как вообще магнитные поля могут существовать в газе?
Найти исчерпывающие ответы на многие из этих
вопросов ученым еще не удалось. Тем не менее уже
высказано много остроумных догадок, которые в настоя-
щее время тщательно проверяются и проходят своеобраз-
ную стадию испытания.
Присутствие слабых магнитных полей в межзвездной
среде следует из наблюдаемых свойств ее оптического и
радиоизлучения (поляризация, расщепление спектраль-
ных линий). Индукция межзвездных магнитных полей
очень мала, в миллионы раз меньше индукции магнитно-
го поля Земли. Но когда некоторый объем межзвездной
среды, например газово-пылевое облако, сжимается в
звезду, происходит уплотнение вещества во много милли-
ардов миллиардов раз, что сопровождается концентраци-
ей и усилением магнитного поля. Действительно, у неко-
торых звезд, называемых магнитными, наблюдается рас-
щепление спектральных линий, соответствующее индук-
ции поля в несколько тесла! Но такие объекты редки, в
настоящее время известно лишь порядка сотни магнит-
ных звезд. Следовательно, при образовании звезды маг-
нитное поле либо как-то разрушается, либо каким-то об-
разом покидает вещество звезды.
Взаимодействие магнитного поля с газом изучается
в специальном разделе астрофизики — космической маг-
нитогидродинамике. Это довольно сложный раздел теоре-
тической астрофизики. Однако некоторые важные резуль-
таты магнитогидродинамики могут быть наглядно объяс-
нены на основе хорошо известных свойств электромаг-
нитной индукции. Нейтральный газ, подобно диэлектри-
ку, безразличен к магнитному полю. Но если газ ионизо-
ван и содержит большое количество свободно движущихся
зарядов, то его можно уподобить проводнику, свойства
которого также определяются наличием в нем свободных
зарядов. Согласно закону электромагнитной индукции,
при изменении магнитного потока в проводнике возни-
кает электрический ток, магнитное действие которого
препятствует изменению поля, вызвавшему этот ток.
Применим это правило к простейшему случаю, когда
некоторый объем ионизованного газа (плазмы), напри-
мер, в виде бруска А (рис. 23) приближается к намагии-
5-442
65
Рис. 23. Иллюстрация взаимодействия плазмы с магнитным полем.
ченной поверхности. Магнитное поле изображено линия-
ми индукции В. Пока брусок пересекает линии индукции
магнитного поля, в нем вдоль оси возникает электриче-
ский ток. (На рисунке 23 этот ток изображен стрелкой
/.) Все происходит точно так же, как в обмотке ротора
генератора электрического тока, пересекающего линии
индукции магнитного поля статора. Мы можем даже не
интересоваться направлением индукционного тока, так
как согласно правилу Ленца магнитный поток, создавае-
мый током индукции, противоположен магнитному пото-
ку, порождающему этот ток. Поэтому кольцевое магнит-
ное поле тока индукции (на рисунке 23, б оно изображе-
но квадратиком из стрелок) ориентировано против часо-
вой стрелки, что соответствует правилам буравчика и
правой руки.
Магнитное поле тока индукции складывается с исход-
ным магнитным полем, которое брусок пересекает при
своем движении. В результате линии магнитной индук-
ции искривляются. В левой стороне объема плазмы (см.
рис. 23, б) противоположно направленные линии индук-
ции компенсируют друг друга и вся линия в пределах
бруска смещается вправо, как это показано на рисунке
23, е. Линия индукции изогнулась так, чтобы не пере-
сечь бруска! Если бы магнитное поле было внутри дви-
жущейся массы газа, то результат оказался таким же:
линия индукции изогнулась, как бы увлекаемая струей
газа.
Может случиться так, что кинетическая энергия дви-
жущегося газа окажется значительно меньше, чем энер-
66
гия магнитного поля. Тогда магнитное поле изменяться
не будет, но зато остановится движение плазмы поперек
поля: газ сможет беспрепятственно растекаться вдоль
линий индукции поля, но не сможет пересекать их. Все
эти выводы, которые наглядно объясняются схемами,
типа только что приведенной, могут быть строго и точно
рассчитаны на основании решения системы уравнений,
описывающих движение газа в магнитном поле.
Эти результаты обычно иллюстрируют в виде пред-
ставления о том, что плазма как бы приклеена к линиям
индукции магнитного поля (она, однако, может «течь»
и вдоль этих линий, если действуют иные силы, напри-
мер сила тяжести). С другой стороны, если движение
газа по мощности преобладает над полем, то поле как
бы «вморожено» в плазму и перемещается вместе с ней.
Докажем еще одно очень важное положение. Плазма
обладает исключительно малым электрическим сопротив-
лением или очень большой проводимостью. Ее проводи-
мость соизмерима с проводимостью металлов. Отсюда сле-
дует, что магнитное поле в плазме не может слишком
быстро измениться. В противном случае возникнет ЭДС
индукции, которая вызовет такую большую силу тока,
что его магнитное действие поддержит магнитное поле
почти на исходном уровне. При бесконечной проводи-
мости магнитное поле абсолютно неуничтожимо. Вот мы и
установили, что в плазме магнитное поле может сущест-
вовать и без магнита. С учетом того, что проводимость
хотя и велика, но все же имеет некоторое конечное зна-
чение, можно подсчитать, что магнитное поле постепен-
но как бы рассасывается, но очень медленно. Так, на-
пример, поле солнечного пятна могло бы рассосаться
(диссипировать) за десятки тысяч лет. Тогда по закону
Джоуля —Ленца энергия магнитного поля перешла бы
сначала в энергию электрического тока, затем в теплоту.
Однако известно, что пятна на Солнце возникают за не-
сколько дней, живут 1—2 месяца и потом также быстро
исчезают. Но отсюда не следует, что за это время воз-
никло и исчезло магнитное поле. Скорее всего магнитные
поля на Солнце где-то «прячутся» в глубоких его слоях.
И время от времени плазма с «вмороженным» в нее силь-
ным магнитным полем всплывает из более глубоких, не-
наблюдаемых слоев Солнца, а затем снова погружается
в них.
5*
67
Взаимосвязь магнитного
поля с движущейся плазмой
в принципе может объяснить
и очень важный процесс уси-
ления поля. Представим се-
бе, что в некоторой области
имеется замкнутая трубка
линий магнитной индукции
(рис. 24,а). Пусть, далее, в
той же области происходит
движение плазмы так, что
через некоторое время линии
магнитной индукции снача-
ла вытянутся петлей (рис.
24,6), а затем закрутятся
восьмеркой (рис. 24, в). Ес-
ли теперь область, где встре-
чаются противоположные
стороны петли сильно сбли-
зятся (рис. 24,г), то в месте
пересечения энергия полей
может перейти в теплоту (в
малых объемах это проис-
ходит очень быстро), труб-
ки перезамкнутся и в этом
объеме получится вместо од-
ной уже две магнитные
трубки (рис. 24,3). В ре-
зультате поле усилится, так
как число линий индукций
возрастет. Подобный процесс
называется механизмом уси-
ления магнитного поля — гидромагнитным динамо или
просто механизмом динамо. Для Солнца этот механизм
может быть весьма эффективным способом поддержания
магнитного поля, энергия которого все время пополняет-
ся за счет кинетической энергии движущихся газов.
Какого же типа движения газа могут поддерживать
магнитные поля на Солнце? Прежде всего ими могут
быть конвективные движения в подфотосферных слоях,
особенно благодаря тому, что они имеют турбулентный
характер.
Конвективные движения вытягивают линии индукции
Рис. 24. Схема механизма
усиления магнитного поля
движением плазмы.
68
магнитного поля и как бы обматывают
их вокруг конвективных ячеек. Турбу-
лентные движения запутывают линии
индукции магнитного поля и способ-
ствуют тому, что энергия сильно сбли-
зившихся магнитных полей противопо-
ложной полярности быстро превраща-
ется в теплоту.
Другой причиной, приводящей к
усилению магнитного поля, может быть
дифференциальное вращение Солнца.
Действительно, вблизи солнечного эк-
ватора угловая скорость наибольшая
и вещество обгоняет области более вы-
соких широт. Поэтому некоторая линия
индукции магнитного поля, которая
сначала совпадала с одним из меридиа-
нов Солнца, с течением времени будет
превращаться в петлю (рис. 25,а),
постепенно закручивающуюся вокруг
него (рис. 25,6). За несколько лет бла-
годаря этой причине магнитное поле
может усилиться в сотни раз! Эта ги-
потеза пригодится нам в дальнейшем.
12. ЧТО ТАКОЕ СОЛНЕЧНАЯ
АКТИВНОСТЬ?
Надо признать, что на поставлен-
ный в заголовке вопрос все еще нет
четкого ответа. По всей видимости,
солнечная активность — результат
сложного взаимодействия плазмы сол-
нечной атмосферы, присутствующих в
ней магнитных полей, конвективных
движений и дифференциального вра-
щения Солнца. Но такое определение
равносильно утверждению, что часы
состоят из циферблата, каких-то коле-
сиков, пружины и т. д. Каков механизм
этого взаимодействия? Из какого за-
паса он черпает свою энергию? Какой
дирижер управляет своеобразной рит-
Рис. 25. Усиление
магнитного поля
на Солнце за счет
дифференциально-
го вращения Солн-
ца.
£0
микой этого процесса? Сущест-
вует множество попыток отве-
тить на эти вопросы, равно как
и на другие, им подобные. Од-
нако лишь будущее покажет,
имеются ли среди них удачные
верные решения.
Вот почему вместо ответа
на вопрос, что такое солнечная
активность, мы будем говорить
о том, в чем и как она прояв-
ляется. Правда, выбрав из
Л „ большого числа существующих
Рис. 26. Солнечное пятно. гипотез и теорий по одной для
каждого конкретного проявле-
ния, мы будем рассказывать так, словно все хорошо
известно. Но читатель при этом не должен обольщаться:
под гладкой поверхностью изложения не всегда будут
заметны подводные камни и рифы малопонятного и не-
известного. Стремясь создать единую картину, мы поста-
раемся незаметно обходить эти трудности, так как иначе
никогда не достигнем берега.
С важнейшими проявлениями солнечной активности —
пятнами мы фактически уже ознакомились (см. пп. 9
и И). Чтобы представить себе особенности типичного
солнечного пятна, достаточно взглянуть на рисунок 26.
Первое, что в нем поражает, — это четкость границ!
Центральная темная область — тень. Ее яркость раз в
10 слабее окружающей невозмущенной фотосферы. Ра-
диальные волокна между тенью и фотосферой образуют
полутень. Создается впечатление, что на протяжении не-
скольких десятков тысяч километров что-то вытянуло
гранулы1 и темные межгранульные промежутки в направ-
лении к центру пятна.
Что же вытягивает волокна? Вспомним, что в тени
пятна наблюдаются очень сильные магнитные поля. Ли-
нии магнитной индукции поля пятна можно уподобить
тесно перевязанным колосьям снопа. Глядя на сноп
сверху, мы видим, что в середине колосья направлены
вдоль луча зрения. На краю снопа они, ничем не сдер-
живаемые, загибаются от оси, и мы видим стебли, хотя
Юм. с. 42.
70
и в сильном ракурсе (перспективном сокращении). Мо-
жет быть, волокна полутени — это газ, вытянутый вдоль
линий индукции магнитного поля? Или это движущиеся
струи?
Любопытной особенностью пятен является их тенден-
ция образовывать биполярные группы, —так называют
пары болыцих пятен с противоположной полярностью
магнитного поля, окруженные множеством мелких
(рис. 27).
Группа солнечных пятен в целом занимает область
фотосферы протяженностью 100—150 тыс. км. Каждое
развившееся пятно имеет диаметр 30—40 тыс. км, а
обычная гранула невозмущенной фотосферы — 1—
2 тыс. км. Наконец, темные дорожки между гранулами
имеют ширину 100—200 км. Мы пока еще ничего не зна-
ем о геометрической трехмерной структуре всех этих обра-
зований. Однако естественно предположить,' что их тол-
щина соизмерима с наблюдаемыми горизонтальными раз-
мерами. И вот тут нас поджидает сюрприз. Как мы зна-
ем (с. 45), наружные видимые слои Солнца, т.е. его
фотосфера, имеют толщину около 100 км, что соизмери-
мо с шириной межгранульных темных дорожек. Как сле-
Рис. 27. Большая биполярная группа солнечных пятен.
Вверху справа —в увеличенном масштабе фотосферная грануляция.
71
дует из теоретических расчетов, непосредственно под
фотосферой находится уже конвективная зона, простираю-
щаяся по глубине на 150—200 тыс. км. Следовательно,
все три названные выше типа объектов (гранулы, отдель-
ные пятна и группа пятен в целом) по своим масштабам
существенной своей частью должны захватывать конвек-
тивную зону.
Иными словами, гранулы, пятна и вся активная об-
ласть в целом не что иное, как верхушки некоторых яче-
ек конвективной зоны. Хотя грапуляция напоминает
конвекцию, непосредственно она ею не является: в фо-
тосфере имеет место лучистое равновесие. Поэтому вы-
ше и говорилось, что грануляция — это какое-то следст-
вие конвекции, но не сама конвекция. Каким образом
конвективные движения, происходящие в более глубо-
ких ненаблюдаемых слоях, создают впечатление конвек-
ции не вполне еще ясно. Но то, что, помимо гранул, мы
наблюдаем в фотосфере и более крупные структуры, мо-
жет означать только одно: в конвективной зоне должны
присутствовать структуры таких масштабов.
Подобные соображения привели в настоящее время
гелиофизиков к представлению о том, что в конвектив-
ной зоне в основном должны существовать три яруса:
верхний, по размерам ячеек подобный гранулам, средний
с ячейками диаметром в несколько десятков тысяч кило-
метров (как отдельные пятна) и основной с размером
ячеек, сравнимым с протяженностью всей конвектив-
ной зоны и совпадающим с размером биполярной группы
пятен.
Итак, мы приходим к выводу, что наиболее заметные
проявления солнечной активности — пятна и группы пя-
тен — должны быть определенным образом связаны с
конвективной зоной.
Теперь можно попытаться ответить на вопрос, что же
такое пятна. При индукции магнитного поля около
0,5 Тл с каждым кубическим сантиметром плазмы связа-
на энергия магнитного поля, приблизительно равная
0,1 Дж. На Солнце такой энергией обладает 1 см3 плаз-
мы на глубине несколько тысяч километров. Поэтому
магнитные поля пятен подавляют конвекцию в наруж-
ных слоях конвективной зоны па протяжении глубин по
крайней мере в 1000 км. Стало быть, пятно — это об-
ласть, в которой благодаря магнитному полю толщина
72
лучистой фотосферы увеличивается, а уровень, где про-
исходит интенсивная конвекция, понижается. В конвек-
тивной зоне температура с глубиной меняется медленно.
В фотосфере теплота от более горячих нижних слоев пе-
реносится в верхние только излучением. А из верхних
слоев она уносится в межпланетное пространство. Поэтому
в фотосфере температура быстро убывает с высотой.
Итак в пятне толщина фотосферы больше, а это озна-
чает, что переход от медленного к быстрому уменьшению
температуры вверх в этих областях начинается с более
глубокого уровня. Вот почему пятна холоднее окружаю-
щей фотосферы: в них на большем протяжении происхо-
дит уменьшение температуры газа с высотой. Но это
объясняет только кажущуюся черноту пятен, но не рез-
кость их очертаний.
Вспомним, что магнитное поле оказывает давление на
плазму. Поэтому газ пятна как бы распирается изнутри
магнитным полем. Численно сумма давлений газа и маг-
нитного поля в пятне должна уравновешиваться давле-
нием одного только газа в окружающей пятно фотосфере.
А это возможно тогда, когда в пятне плотность вещества
существенно меньше, чем на той же глубине в фотосфере.
Следовательно, газ в пятне более разрежен и более про-
зрачен, чем в фотосфере (вспомним догадку Галилея —
газы в пятне не слишком прозрачны!). В действитель-
ности оказывается, что из-за этого
мы в области пятна видим пример-
но на 500 км глубже, чем в фотосфе-
ре, и пятно является как бы углуб-
лением; что и подтверждается эф-
фектом Вилсона. Этот эффект обна-
ружил шотландский астроном Алек-
сандр Вилсон из Глазго в 1769 г.
Он заметил, что перспективное со-
кращение полутени пятен (рис. 28)
сильнее со стороны, более близкой
к центру солнечного диска, чем у
обращенной к краю. Так и должно
быть, если пятно представляет со-
бой углубление. В этом легко убе-
диться, рассматривая края тарелки
и поворачивая ее при этом относи-
тельно луча зрения.
Рпс. 28.
Эффект
Вилсона.
70
/О
Наблюдая пятна вблизи
края солнечного диска, мож-
но заметить, что они окруже-
ны яркими площадками — фа-
келами (рис. 29). При очень
хороших атмосферных услови-
ях видно, что факелы распада-
ются на отдельные волоконца,
прожилки, цепочки ярких то-
чек и отдельные яркие факель-
ные гранулы. Создается впе-
чатление, что энергия, которая
не смогла выйти из лятна,
_ пл _ - словно пашла возможность
Рис. 29. Солнечные Факелы.
4"»«»im. «просочиться» в окружающую.
пятно фотосферу. Возможно,
отчасти это действительно так. Но дело усложняется
тем, что в центральной части солнечного диска факелы
совсем не видны и вместо них даже крупные пятна ок-
ружены обычной фотосферной грануляцией. Значит, фа-
кельная гранула — это довольно любопытное образование:
сверху оно выглядит как фотосферная гранула, почти
ничем не отличаясь от нее, а когда мы на нее смотрим
сбоку (из-за шарообразности Солнца все, что видно на
краю диска, повернуто к нам боком), отдельные факель-
ные гранулы оказываются ярче фотосферных.
В этом смысле факел подобен горизонтальному лучу
прожектора морского маяка: он виден сбоку, но не све-
тит вверх.
Такое свойство факела можно объяснить тем, что он
как бы возвышается над фотосферой. Значит, в отличие
от пятна, в факеле протяженность атмосферы не меньше,
а больше, чем вдали от активной области. Если здесь
действует та же причина, что и в пятне, то в факеле
конвекция должна быть не ослаблена, а усилена.
Любопытно, что усиление конвекции в факеле может
быть вызвано все тем же магнитным полем! Но в факе-
лах наблюдаются слабые магнитные поля. Это отдель-
ные внешние колосья снопа магнитных линий пятна.
Такие поля не могут подавить конвекцию. Зато они по-
давляют мелкие турбулентные движения газа, которые
для конвективных движений играют роль своеобразного
трения: задевая друг за друга, отдельные движущиеся
74
массы газа тормозятся. Магнитное поле ослабляет эти
тормозящие турбулентные движеиия и как бы «смазы-
вает» маслом те рельсы, по которым движутся конвек-
тивные массы газа. В результате конвекция усиливается.
Плотность вещества в области факела больше, чем в
фотосфере на той же глубине. Это уплотнение сохраня-
ется и в более высоких слоях атмосферы — в хромосфе-
ре—и даже в короне. Но, как мы помним, в этих слоях
солнечной атмосферы имеется приток дополнительной
энергии волн, приходящих из конвективной зоны. Такое
поступление энергии сопровождается реальным увеличе-
нием температуры газов. Поэтому в хромосфере над фа-
келами также видны более яркие области,' называемые
флоккулами.
Таким образом, и в пятнах, и в факелах важную роль
играет магнитное поле. Оно также существенно и для
всех других активных образований в солнечной атмосфе-
ре. Самыми грандиозными из них являются протуберан-
цы. По своей сути протуберанцы —- это плазменные обла-
ка из вещества хромосферы, удерживаемые магнитными
полями в короне (рис. 30).
Мы видели, что магнитное поле пятна можно изобра-
зить снопом линий индукции, которые, как известно, не
имеют концов, они всегда замкнуты. Чаще всего линии
индукции одного пятна замыкаются на линии другого.
Рис. 30. Две стадии развития протуберанца.
75
Тогда полярности пятен оказываются разными и образу-
ется упоминавшаяся биполярная группа пятен. Там, где
линии индукции выходят из фотосферы, образуется се-
верный полюс магнитного поля, а где они уходят в фото-
сферу — южный. Линии индукции магнитного поля оди-
ночных пятен могут замыкаться на множество мелких
пятен или просто на факел, в котором нет пятен. Во
всех этих случаях отдельные линии индукции магнитного
поля образуют петли, вершины которых могут далеко
уходить в хромосферу или даже в корону. Естественно,
нельзя говорить об отдельной линии индукции: магнит-
ным полем всегда охвачена некоторая область и поэтому
петли фактически состоят из трубок линий магнитной
индукции.
Вещество протуберанцев связано с такими трубками
магнитного поля. Мы помним, что плазма может либо
свободно скользить вдоль такой трубки, либо перемещать-
ся вместе с ней.
Исключительное многообразие форм протуберанцев и
их динамичность объясняются постоянным движением и
взаимодействием трубок магнитного поля, а также пото-
ками вещества внутри них.
Чаще всего встречаются спокойные протуберанцы. Их
вещество «покоится» в седловине магнитного поля, образо-
ванной средней частью прогнувшейся под тяжестью
плазмы петли магнитного поля. Волны, нагревающие ко-
рону, должны распространяться вдоль линии индукции
магнитного поля. Поэтому, дойдя в область А (рис. 31),
они совершат более
длинный путь, чем
распространяясь по
прямой в область В на
той же высоте. Волна
теряет энергию на всем
пути. Поэтому в об-
ласть А волны придут
более ослабленными и
меньше ее нагреют, чем
область В. В области Л
газ охладится, сожмет-
ся и в горячей короне
возникает облако, под-
держиваемое магнит-
Рис. 31. Схема возникновения
спокойного протуберанца.
76
Рис. 32. Солнечиая вспышка.
ным полем. Если давление в этом облаке уменьшится, то
по трубке линий индукции вещество из хромосферы может
начать засасываться. Изменится конфигурация магнит-
ного поля, и спокойный протуберанец либо стечет вниз,
в хромосферу, либо всплывет вверх, в корону, либо взор-
вется и станет эруптивным. Тогда он с огромной скоро-
стью будет выброшен далеко в корону.
Самое мощное проявление солнечной активности —
это вспышки (рис. 32). Солнечные вспышки возникают в
сравнительно небольших областях хромосферы и короны
над пятнами. Но очень скоро, за 5—10 мин, это явление
охватывает огромные области солнечной атмосферы
(рис. 33).
По своей сути вспышка — это взрыв, вызванный вне-
запным сжатием солнечной плазмы. Сжатие происходит
под давлением магнитного поля и приводит к образова-
нию длинного плазменного жгута или ленты. Длина та-
кого образования составляет десятки и даже сотни тысяч
километров. Общее количество энергии, выделяющейся в
77
Рпс. 33. Две стадии мощной вспышки па Солнце.
результате взрыва, может составлять в зависимости от
его силы от 1023 до 1025 Дж.
Учитывая, что вспышка продолжается немногим бо-
лее часа, а объем, охваченный взрывом, сравним с объ-
емом крупной планеты размером с Уран или Сатурн, лег-
ко рассчитать, что в 1 см3 в среднем происходит энерго-
выделение около 10~7 Дж/с. Поскольку плотность хромо-
сферы почти 10~12 г/см3, то в области вспышки мощность
энерговыделения одного грамма вещества достигает в
среднем 105 Дж/с. Вместе с тем энерговыделение всего
Солнца в целом чуть более 10~7 Дж/с на каждый грамм.
Первое число больше второго в триллионы раз. Это гово-
рит о том, что источник энергии вспышек принципиально
отличается от источника энергии всего Солнца. Деталь-
7S
ные физические процессы,
приводящие к возникнове-
нию вспышек, очень, слож-
ны и еще недостаточно хо-
рошо изучены. Однако на-
дежно установлено, что они
имеют электромагнитную
природу и тесно связаны с
особенностями взаимодейст-
вия плазмы солнечной атмо-
сферы с магнитными поля-
ми, отличающимися слож-
ной структурой. Такие поля
всегда имеются в областях Р"с- 34. Нейтральная линия
солнечных пятен. Основной магнитного поля,
жгут вспышки обычно рас-
полагается вдоль нейтральной линии магнитного поля —
направления, разделяющего области различной полярнос-
ти (рис. 34). На этом участке солнечной атмосферы маг-
нитное поле практически отсутствует. Но в стороне от
нейтральной линии индукция поля увеличивается, при-
чем чем дальше, тем больше. Если рассматриваемый
участок солнечной атмосферы представить в виде релье-
фа некоторой местности, где высота каждой точки над
уровнем океана равна индукции магнитного поля, то
окрестпость нейтральной линии изобразится узким глу-
боким каньоном, обрамленным двумя крутыми горами
магнитного поля. Чтобы подчеркнуть противоположность
полярностей этих гор, их придется по-разному раскра-
сить, например, в красный и синий цвета, как концы
стрелки компаса. Дно этого каньона совпадает с нейт-
ральной линией магнитного поля, вблизи которой может
начаться вспышка.
Плазма в магнитном поле, помимо газового давления,
испытывает давление магнитного поля. В результате
нейтральная линия находится под двойным давлением
поля и газа. Им она может противопоставить лишь дав-
ление имеющегося в пей газа, так как магнитного поля
в ней пет. При некоторых особых условиях возникает
неустойчивость, газ начинает уходить вдоль нейтральной
линии и близлежащие участки плазмы вместе с сильными
магнитными полями противоположных полярностей
(стенки каньона) внезапно устремляются друг на дру-
79
га. Происходит очень
сильное сжатие газа, со-
провождающееся образо-
ванием турбулентных вих-
рей. В обычной плазме
магнитное поле не может
перемещаться относи-
тельно вещества, но в
турбулентной этот запрет
Рис. 35. Схема возникнем- снимается. Вблизи нейт-
ния вспышки. ралыюй линии магнитные
поля противоположных
полярностей «отрывают-
ся» от вещества, сильно сближаются, сливаются и нейт-
рализуются (аннигилируют). При этом энергия магнит-
ного поля переходит в другие формы: в энергию излуче-
ния, теплоту и кинетическую энергию движущихся газов
(рис. 35).
В энергию электромагнитного излучения переходит
примерно половина всей энергии. Это излучение может
наблюдаться в видимых, ультрафиолетовых, рентгенов-
ских и даже гамма-лучах. Особенно много энергии излу-
чается волнами, длина которых соответствует красной
спектральной линии водорода, как правило именно в этой
области чаще всего и наблюдаются вспышки при помощи
узкополосных светофильтров. Энергия излучения здесь в
десятки раз больше. Помимо монохроматических лучей,
вспышки излучают видимый (белый) свет, причем иногда
энергия этого излучения так велика, что все явление
удаётся наблюдать в обычный телескоп без цветного
светофильтра, разумеется снабженный устройством для
ослабления ослепительного света Солнца. Именно так
впервые и наблюдали вспышку 1 сентября 1859 г. Кэр-
рингтои и независимо от него Ходжсон.
Одна часть энергии вспышки уносится ультрафиоле-
товым и рентгеновским излучениями. Источниками этих
излучений являются очень сильно ионизованные атомы.
Например, во время некоторых вспышек наблюдалось
рентгеновское излучение, характерное для атома железа,
лишенного 25 электронов, т. е. фактически атома желе-
за, обладающего, подобно водороду, только одним элект-
роном!
Другая часть энергии вспышки идет на ускорение эле-
80
ментарных частиц, главным образом электронов и прото-
нов, до энергии 1011 эВ. Поток таких частиц добавляется
во время вспышек к общему потоку космических лучей,
наблюдаемых вблизи Земли. Сталкиваясь с другими ато-
мами, быстрые ядра вызывают их необычайно сильную
ионизацию, а в некоторых случаях проникают даже через
электронные оболочки атомов и приводят к ядерным пре-
вращениям, сопровождающимся испусканием гамма-кван-
тов.
Как и всякий сильный взрыв, вспышка порождает
ударную волну, распространяющуюся вверх в корону,
вниз в фотосферу и горизонтально вдоль поверхностных
слоев солнечной атмосферы.
Излучение солнечных вспышек оказывает сильное воз-
действие на верхние слои земной атмосферы и ионосферу
и приводит к возникновению целого комплекса геофизи-
ческих явлений, о чем мы еще будем говорить дальше.
13. ПЛАЗМЕННЫЙ ВЕТЕР
Мы привыкли под словом «ветер» подразумевать быст-
рое перемещение больших масс воздуха. Когда где-нибудь
в земной атмосфере в силу тех или иных причин возни-
кает область пониженного атмосферного давления (цик-
лон), туда устремляются массы окружающего воздуха.
Возникают ветры, которые так часто приносят изменение
погоды.
С этой точки зрения нет ничего удивительного, что га-
зовый шар, окруженный разреженным межпланетным га-
зом, может создавать вокруг себя «ветер». Действительно,
атмосфера звезды, как и всякий газ, должна стремиться
расширяться в окружающую среду. Однако, как будет
происходить это расширение, зависит в первую очередь
от соотношения между силами газового давления и грави-
тационного притяжения, которые отдельные частицы ис-
пытывают соответственно со стороны атмосферы и всей
звезды.
Рассмотрим отдельную молекулу (или атом) атмосфе-
ры. Легче всего такая частица может «убежать» от звез-
ды, если ее скорость направлена по радиусу от центра.
В этом случае задача почти совпадает с хорошо извест-
ным школьным вопросом: на какую высоту поднимется
6—442
81
тело, если его бросить вверх с начальной скоростью Ро?
Как известно, высота Н оказывается равной
я—i.
Если vq — средняя скорость частицы, а т — ее масса,
то 2. — средняя кинетическая энергия, которая, как
2
известно, пропорциональна температуре газа:
где к — коэффициент пропорциональности.
кТ
Следовательно, Н = .
mg
Если расчет проводить не на единицу массы, а на еди-
ницу молярной массы ц, то коэффициент пропорциональ-
ности &, оказывается, совпадает с универсальной газовой
постоянной R=8,31 Дж/(моль-К) и тогда
Мы получили очень важную формулу, которая показы-
вает, на какую высоту может подняться частица массой \i
в атмосфере с температурой Г, находящаяся в поле силы
тяжести с ускорением g.
Применим эту формулу сначала к земной атмосфере.
Молярная масса воздуха (в основном азот) около
30 г/моль, £=9,8 м/с2, Г=300 К. Отсюда
Н = « 8 км,
И*
т. е. около 8 км. Это примерно толщина тропосферы, со-
держащей основную массу воздуха. Можно доказать, что
найденная нами высота Н совпадает с такой толщиной
атмосферы, какую она имела бы, если бы ее плотность
всюду была одинакова и равнялась плотности в самых
нижних слоях. Иными словами, такой была бы толщина
атмосферы, если бы она вдруг, подобно океану, стала од-
нородной, сжавшись до плотности привычного нам возду-
82
ха. Поэтому величину Н называют высотой однородной
атмосферы.
Сразу видно, что высота однородной атмосферы тем
больше, чем больше температура, и тем меньше, чем боль-
ше ускорение силы тяжести, т. е. чем массивнее тело, ат-
мосферу которого мы рассматриваем.
Протяженность атмосферы сильно зависит и от веще-
ства, из которого она состоит. На Солнце большая часть
атомов — водород, находящийся в атомарном, да еще к
тому же ионизованном состоянии. Поэтому молярная мас-
са солнечного вещества у большинства слоев ненамного
превышает 0,5 г/моль, т. е. она в десятки раз меньше, чем
у воздуха. Сравнивая земную и солнечную атмосферы,
надо учесть, что на Солнце и температура, и ускорение
силы тяжести в десятки раз больше, чем на Земле, а мо-
лярная масса — в десятки раз меньше. В итоге протяжен-
ность солнечной атмосферы оказывается значительно
больше, чем земной. Но мы видели, что начиная с некото-
рого уровня, температура на Солнце начинает быстро рас-
ти. В короне она в сотни раз больше, чем в фотосфере.
Это и объясняет необычайную протяженность, а следова-
тельно, и разреженность короны.
При большой разреженности газа частицы могут ус-
петь переместиться на большие расстояния, прежде чем
они испытают взаимное столкновение. В условиях солнеч-
ной короны этот «свободный пробег» частиц может дости-
гать протяженности самой короны. Начав свое движение
где-нибудь в средних слоях короны и удалившись от
Солнца, скажем, на расстояние его радиуса, частица ока-
жется в поле тяжести, вчетверо более слабом. Если она
не столкнулась с какой-либо другой частицей и сохранила
свою скорость, то эта скорость может оказаться больше
параболической (т. е. второй космической) для данного
расстояния. Такая частица навсегда покинет пределы сол-
нечного притяжения. На расстоянии примерно 10 радиу-
сов Солнца от его центра плазма с температурой в мил-
лион градусов содержит частицы, большинство которых
имеют скорость больше параболической. Следовательно,
начиная с расстояния в несколько миллионов километров
от Солнца, частицы короны легко убегают от него. Корона
как бы испаряется в окружающее пространство. Так воз-
никает постоянный поток плазмы от Солнца. Оказывает-
ся, что скорость его на больших расстояниях от Солнца
6*
83
сначала быстро увеличивается, а потом плавно уменына
ется. На расстоянии Земли эта скорость составляет мно-
гие сотни километров в секунду. Этот постоянный поток
плазмы от Солнца и называют солнечным ветром.
14. УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЧАСЫ
Мы привыкли пользоваться часами для определения
времени. Измерение времени — это сравнение одного ка-
кого-либо процесса с другим, принятым за стандартный.
Обычно стараются стандартный процесс выбрать как мож-
но более равномерным. Однако это довольно трудно. Сна-
чала ход часов связывали с вращением Земли, но оказа-
лось, что Земля вращается недостаточно равномерно. По-
этому в качестве стандарта приняли более равномерный
процесс — колебание атомов в молекулах. Длительные
промежутки времени мы измеряем в годах, потому что
периодическая смена времен года играет наибольшую
роль в нашей жизни. Но год тоже непостоянен, его про-
должительность медленно увеличивается. Кроме того, для
создания удобного календаря необходимо, чтобы год со-
держал целое число дней. Поскольку это не так, прихо-
дится регулярно изменять число дней в году (високосные
и простые года). Различные системы счета времени помо-
гают нам установить ритмы природы, выявить повторя-
ющиеся явления, найти гармонические соотношения.
Одним из таких ритмов является цикл солнечной ак-
тивности, и, как мы увидим дальше, его роль для явлений,
происходящих на Земле, очень велика.
Как уже говорилось в 1826 г. Генрих Швабе — немец-
кий любитель астрономии, а по профессии аптекарь из
Дессау — начал регулярно наблюдать Солнце и зарисовы-
вать его пятна. Любители астрономии неоднократно ока-
зывали большую услугу науке. Особенно это касается на-
блюдений внезапно возникающих объектов — новых звезд,
комет, метеоров.
Швабе вовсе не собирался изучать Солнце. Он просто
надеялся открыть планету, которая, как долгое время ду-
мали, якобы находится между Солнцем и Меркурием. Ес-
ли бы такая планета действительно существовала, то уви-
деть ее в лучах утренней или вечерней зари было бы
очень трудно. Не все астрономы могут похвастаться тем,
что видели Меркурий. Даже создатель гелиоцентрической
84
системы мира Коперник так никогда его и не увидел.
Планету, более близкую к Солнцу, чем Меркурий, увидеть
было бы еще труднее.
Швабе решил тщательно изо дня в день наблюдать
Солнце в надежде, что рано или поздно планета, если она
действительно существует, пройдет по диску Солнца в ви-
де черного кружка (или точки). А чтобы не спутать эту
точку с солнечным пятном, Швабе стал тщательно зари-
совывать все пятна на Солнце.
Проанализировав свои наблюдения почти за 30 лет,
Швабе заметил, что за это время количество пятен на
Солнце трижды сильно увеличивалось и трижды уменьша-
лось почти до нуля (рис. 36). Иными словами, активность
Солнца периодически изменялась. Заметка Швабе об об-
наруженной им закономерности появлений пятен на
Солнце была опубликована в 1843 г. Мало кто придал бы
внимания этому открытию, сделанному скромным аптека-
рем и простым любителем астрономии, если бы его не оце-
нил немецкий естествоиспытатель Гумбольдт и не помес-
тил в своем труде «Космос».
В 1857 г. Швабе был удостоен золотой медали Лондон-
ского астрономического общества. А в 1859 г., через два
года после окончательного признания заслуг Швабе, сре-
ди старых бумаг в Копенгагене была найдена заметка
датского астронома Горребова, который на основании сво-
их наблюдений Солнца, выполненных в 1761—1769 гг.,
заметил, что число солнечных пятен меняется со време-
нем. В результате артиллерийского обстрела Копенгагена
материалы Горребова погибли, и его идеи забыли. А ведь
он предугадывал периодичность солнечных пятен и даже
утверждал, что наступит время, когда с успехом можно
будет изучать влияние на планеты этих «изъянов на
Солнце». Вот какие любопытные истории иногда происхо-
дят с открытием важных закономерностей природы.
Систематические наблюдения пятен начал швейцар-
ский астроном Рудольф Вольф из Цюриха. Он уточнил,
что максимумы числа пятен на Солнце повторяются в
среднем через 11,1 года.
Таким образом, помимо вращения, со скоростью при-
мерно один оборот за месяц, у Солнца есть и другой очень
важный ритм в 11 лет. "Особенностью этого ритма являет-
ся то, что он явно несет на себе следы множества других
ритмов. Во-первых, его продолжительность заметно меня-
85
Ряс. 36. Зависимость количества наблюдаемых на Солнце пятен
от времени.
86
ется в пределах примерно от 7—9 до 14-—17 лет. Поэтому
говорят не о периодичности активности, а ее цикличности,
подразумевая при этом, что продолжительность отдельных
циклов может меняться, но в среднем всегда получается
около И лет. Во-вторых, само количество пятен в макси-
муме солнечной активности тоже меняется. Поэтому гово-
рят о высоких и низких максимумах. Амплитуды макси-
мумов меняются периодически, причем полагают, что име-
ется несколько периодов, из которых лучше других
установлен 80-летний период. Наконец, как мы сейчас
увидим, правильнее рассматривать циклы попарно и счи-
тать цикл не в 11 лет, а в 22 года.
Одиннадцатилетний цикл, безусловно, важнейшая осо-
бенность Солнца. Но он не достаточно хорошо еще изучен.
Поэтому каждодневные и одинаковым образом организо-
ванные наблюдения — служба Солнца — просто необходи-
мы для выяснения природы солнечной активности. Астро-
номы специально готовятся к наблюдениям каждого оче-
редного этапа солнечной активности. Чтобы изучить
влияние солнечной активности на земные явления, меж-
дународные программы геофизических исследований час-
то приурочивают к очередному максимуму солнечной ак-
тивности. Специальные исследования проводят в эпохи
минимумов солнечной активности, когда пятен и других
активных образований на Солнце мало или почти нет.
Надо сказать, что со времени создания службы Солнца
прошло сравнительно мало циклов его активности. Так,
например, максимум солнечной активности, наступивший
в 1980 г., считают 21-м. (Первым принято считать цикл,
начавшийся в 1755 г.) Это отчасти объясняет, почему мы
сравнительно мало знаем о природе 11-летнего цикла, а
тем более о том, какую роль этот ритм играет для явле-
ний, происходящих на нашей планете. Не исключено, что
со временем мы будем значительно чаще обращать вни-
мание на удивительные солнечные часы, ход которых оп-
ределяется солнечной активностью.
15. ТЫСЯЧА ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Мир устроен так, что между самыми различными его
частями постоянно имеют место взаимодействия. Обосно-
вание этого факта в самом общем виде — великое дости-
жение философии.
87
Атомы взаимодействуют с множеством окружающих
их частиц. Притяжение тел Землей называется силой тя-
жести. Это тоже взаимодействие. Экономические события
рано или поздно влияют на ход исторического процесса.
Климат может повлиять на экономику целой страны, если
случится наводнение или засуха. Луна и Солнце возму-
щают движение вод в океане и регулярно вызывают при-
ливы и отливы. Солнце притягивает планеты и заставляет
их двигаться вокруг себя по орбитам. Планеты, в свою
очередь, вызывают приливы на Солнце, хотя и очень сла-
бые. Из-за движения планет центр Солнечной системы не
совпадает с центром Солнца, а все время перемещается в
пространстве, находясь то внутри Солнца, то на некотором
расстоянии вне его. Притяжение всех звезд нашей Галак-
тики заставляет Солнечную систему двигаться вокруг га-
лактического центра. Звезды других галактик так далеки,
что, казалось бы, не могут с нами взаимодействовать.
И все же, преодолев за сотни тысяч лет огромные рас-
стояния, излученный когда-то ими свет сообщает нам кое-
что об их природе. Астрономия богата такими примерами,
и в физике Солнца их тоже очень много. Так, например,
все проявления солнечной активности тесно взаимосвяза-
ны, и основа этой связи — магнитное поле. По этой при-
чине совокупность пятен, факелов, флоккулов, протубе-
ранцев и вспышек, возникающих в некоторой области на
Солнце в течение определенного времени, называют цент-
ром солнечной активности. В математике центр — точка,
а в физике Солнца это целая большая область в прост-
ранстве и времени.
Развитие типичного центра активности подчинено оп-
ределенным закономерностям. Оно начинается с неболь-
шого увеличения индукции магнитного поля в фотосфере.
Как правило, сразу возникает две области, в которых маг-
нитные поля обладают противоположной полярностью.
Это напоминает два полюса одного магнита. Расстояние
между такими полюсами — несколько сотен тысяч кило-
метров, а соединяющая их линия — параллельна экватору
Солнца, так что один полюс оказывается на востоке, а
другой — на западе. В хромосфере оба полюса сразу ста-
новятся заметными по возникающим в них флоккулам.
Вблизи края Солнца они видны и в фотосфере как факе-
лы. Через 2—3 дня в области факелов среди наиболее
темных и увеличенных промежутков между гранулами
88
появляется множество округлых темных пор. Большинст-
во из них вскоре пропадает, но некоторые быстро, менее
чем за сутки, развиваются в пятна. Сначала формируется
только тень пятна, но через 2—3 дня пятно увеличивает-
ся до размеров в несколько десятков тысяч километров и
окружается бахромой полутени. В таком виде пятно мо-
жет просуществовать несколько десятков дней (в сред-
нем — месяц). После этого оно начинает постепенно
уменьшаться и исчезает. В каждом из двух первоначаль-
но возникших полюсов магнитного поля, как правило, по-
является по одному большому пятну, а между ними и во-
круг — множество мелких. В целом они образуют бипо-
лярную группу пятен, т. е. группу, в которой присутствуют
оба полюса магнитного поля.
Биполярные группы пятен — основной элемент солнеч-
ной активности. Их возникновение и развитие можно себе
представить как результат постепенного всплывания в
солнечной атмосфере огромной трубки или жгута из ли-
ний индукции магнитного поля.
Как уже говорилось, в том месте, где трубка выходит
из фотосферы, образуется пятно с северной полярностью
магнитного поля, а где она входит обратно — с южной.
Через некоторое время трубка разрушается, а ее остатки
погружаются обратно под фотосферу, и биполярная об-
ласть постепенно исчезает. При этом часть линий индук-
ции магнитного поля уходит в солнечную хромосферу и
далеко в корону, где газ очень разрежен. Здесь действие
магнитпого поля оказывается сильнее, чем движущейся
плазмы, так что вещество начинает следовать за магнит-
ным полем, и по внешнему виду хромосферы и короны
можно судить о направлении линий индукции магнитного
поля. Так железные опилки на доске, под которую подве-
ден магнит, рисуют картину магнитного поля магнита.
Проникновение магнитных полей в хромосферу объ-
ясняет красивую волокнистую ее структуру, наблюдаемую
вокруг пятен. Плавно изгибаясь, волокна образуют как бы
вихри, напоминающие циклоны в земной атмосфере. Од-
нако это сходство только внешнее, природа явлений сов-
сем различна.
В короне магнитные поля приводят к образованию
систем дуг (структур, напоминающих опахала и шлемы),
которые постепенно переходят в длинные струи, при-
дающие короне ее лучистый вид.
89
Рпс. 37. Рисунки солнечной короны, выполненные А. П. Ганским.
Высота вертикальной линии, изображенной на Солнце, показывает коли-
чество пятен.
Связь формы короны с магнитными полями объясняет
замечательную ее особенность, обнаруженную еще в са-
мом начале нашего столетия талантливым пулковским
астрономом А. П. Ганским (рис. 37). Оказывается, общая
форма короны и характер ее структуры сильно изменяют-
ся в течение цикла солнечной активности (см. рис. 37).
В начале цикла, когда пятен мало, протяженность и яр-
кость короны невелики, ее форма более эллипсоидальна,
лучи вытянуты вдоль экватора, а у полюсов наблюдаются
короткие радиальные полярные щеточки. В эпоху макси-
мума корона ярче, имеет более всклокоченный и округлый
вид. Лучей наблюдается много, они сильно различаются
90
по своей форме и ориентации. Это говорит о большой ин-
дукции и более сложной структуре магнитных полей. Яс-
но, что эти поля —- результат множества центров солнеч-
ной активности.
Сложность конфигурации магнитного поля в активной
области благоприятствует возникновению протуберанцев
и вспышек. Таким образом, в целом возникновение и раз-
витие центра солнечной активности можно объяснить
всплыванием намагниченной трубки. Но как могут обра-
зоваться на Солнце такие трубки? Чтобы попытаться най-
ти объяснение этому, рассмотрим важнейшие закономер-
ности всего цикла солнечной активности. Одна из них ста-
ла известна в начале нашего столетия.
Обнаружив магнитное поле солнечных пятен, Хейл от-
крыл закон чередования их полярности, который сейчас
называют его именем. Суть этого закона заключается в
том, что в течение данного цикла полюса всех биполярных
областей в каждом полушарии Солнца ориентированы
одинаково. А последовательность полярностей в северном
и южном полушариях противоположна. Например, если в
северном полушарии все западные пятна групп имеют се-
верную полярность, а восточные, следовательно, южную,
то в южном полушарии Солнца будет наоборот: все за-
падные пятна групп будут южной полярности, а восточ-
ные — северной. Но самое замечательное, что в следу-
ющем цикле, т. е. примерно через 11 лет, полярности всех
пятен в группах в обоих полушариях изменятся на проти-
воположные, а еще через 11 лет, вновь изменившись на
противоположные, вернутся к исходному состоянию. Вот
почему лучше говорить о 22-летнем цикле, а не 11-летнем.
Другая, не менее важная, законЬмерность цикла сол-
нечной активности была обнаружена еще в середине про-
шлого века Кэрриштоном: оказывается, пятна в начале
цикла возникают вдали от экватора на широтах 30—35°,
а затем постепенно зона пятнообразования приближается
к экватору, но на самом экваторе пятна почти не образу-
ются. Этот закон обычно изображают графиком, на кото-
ром черточками отмечают все группы пятен в зависимос-
ти от времени их возникновения. Время отмечают по
горизонтальной оси, а удаление от экватора (широты) —
по вертикальной. Получается красивый рисунок,, напоми-
нающий бабочку, отчего эту схему так и называют —
диаграмма бабочки (рис. 38).
91
Рис. 38. Диаграмма бабочки.
Многие другие особенности цикла солнечной активнос-
ти, о которых нет смысла говорить здесь подробно, также
ясно показывают, что вызывающая его причина связана
с каким-то определенным физическим процессом и ни в
коем случае не может быть результатом взаимодействия
ряда случайностей, как можно было бы думать, изучая
лишь отдельные проявления активности Солнца.
Что же это за физический процесс? Он еще недоста-
точно выяснен, но примерный его характер и даже от-
дельные его элементы уже начинают вырисовываться.
Еще в 1926 г. норвежский метеоролог Бьеркнес пред-
положил, что под фотосферой Солнца постоянно сущест-
вуют две замкнутые магнитные трубки, которые в виде
бубликов, параллельных экватору, находятся в разных
полушариях и в течепие одиннадцати лет успевают обме-
няться местами.
Эта гипотеза легко объясняет, почему в основе актив-
ных областей лежат биполярные группы пятен: главные
пятна образуются в местах выхода трубки из фотосферы.
Поскольку в каждом полушарии все время находится од-
на из двух трубок, то в данном цикле последовательность
полярностей у пятен должна быть одинакова. Перемеще-
ние трубок может объяснить смещение зоны пятнообразо-
92
вания, а переход в другое полушарие — чередование маг-
нитной полярности пятен в соседних циклах. И все же в
гипотезе Бьеркнеса много неясного, а потому искусствен-
ного. Откуда берутся бублики-вихри? Почему они не раз-
рушаются? Почему им требуется 11 лет, чтобы перейти
из одного полушария в другое? Как это происходит? И
вот американский астрофизик Бэбкок в 1961 г. как
будто сумел объяснить, почему подобные вихри на Солнце
образуются через И лет, причем каждый раз с противо-
положной полярностью магнитного поля. Для этого надо
воспользоваться гипотезой усиления магнитного поля
дифференциальным вращением (см. п. 1). Если на Солн-
це имеется магнитное поле, изображаемое магнитной ли-
нией индукции, первоначально совпадающей с солнечным
меридианом, то дифференциальное вращение Солнца все
время будет вытягивать эту линию так, как если бы кто-
то тащил ее в направлении вращения, ухватившись за
экваториальный участок. Очевидно, этот процесс приведет
к наматыванию линий индукции поля вокруг Солнца, а
следовательно, к его усилению всюду, кроме областей
вблизи экватора и полюсов. Расчет показывает, что уси-
ление индукции поля будет происходить сначала вдали от
экватора, а затем все ближе и ближе к нему. Ясно, что
в северном и южном полушариях при этом полярность
магнитного поля будет противоположной. Так можно объ-
яснить образование на Солнце двух тороидов (бубликов)
магнитного поля, имеющих в северном и южном полуша-
риях противоположную полярность (см. рис. 25).
Итак, чтобы предполагаемый Бэбкоком процесс начал
происходить, необходимо, чтобы линии индукции исходно-
го поля были расположены в меридиональных плоскостях.
Кроме того, нужно, чтобы части линий индукций, уходя-
щих под фотосферу, опускались не слишком глубоко, что-
бы область усиленного поля могла всплыть быстро. По
Бэбкоку, подобное меридиональное исходное поле может
образоваться в итоге распада всех активных областей пре-
дыдущего цикла и взаимной нейтрализации связанных с
ними магнитных полей.
При этом оказывается, что возникшее таким путем ме-
ридиональное общее магнитное поле Солнца имеет поляр-
ность, противоположную той, с которой начался данный
цикл. Поэтому в следующем цикле полярность магнитного
поля в трубках тоже будет противоположной. " Следова-
93
тельно, удается объяснить и закон Хейла о чередовании
полярностей пятен.
Встает вопрос: за счет какой энергии происходит уве-
личение индукции магнитного* поля? Ясно, что на это идет
энергия солнечного вращения. Но тогда усиление солнеч-
ной активности должно тормозить вращение экваториаль-
ных областей на Солнце, а следовательно, довольно скоро
вращение на всех широтах станет одинаковым и прекра-
тятся условия, необходимые для действия этого механиз-
ма. Вместе с тем геологические данные говорят о том, что
цикличность солнечной активности существует уже очень
давно и притом без особых изменений, хотя известны от-
дельные периоды, когда активность Солнца как бы зами-
рала.
Значит, рассматриваемая гипотеза предполагает, что
есть постоянно действующая причина, поддерживающая
наблюдаемый характер вращения Солнца.
• Такая причина, по-видимому, действительно существу-
ет. Скорее всего она связана с особым перераспределени-
ем угловой скорости вращения солнечного вещества, во-
влеченного в конвективные движения: на поднимающиеся
и опускающиеся струи газов во вращающемся газовом
шаре действуют особые силы, которые как бы подгоняют
вещество вблизи экватора и замедляют вращение на боль-
ших широтах.
Итак, круг взаимодействий, которые мы рассмотрели,
замкнулся: конвективные движения поддерживают нерав-
номерность вращения, которая, в свою очередь, возбуж-
дает магнитные поля, а те порождают многообразие сол-
нечной активности и одновременно тормозят породившую
их неоднородность вращения. Более тесную взаимосвязь
и не придумаешь!
«Мотором», движущей силой этого процесса, очевидно,
является конвекция, происходящая под фотосферой Солн-
ца. Таким образом, если центр Солнца — источник его
энергии, то конвективпая зона — его сердце, постоянный
пульс которого обеспечивает всю «жизнедеятельность» на-
шего светила, формирует структуру всех слоев его много-
ярусной атмосферы, приводит к регулярному возникнове-
нию в них грандиозных явлений, о которых так образно
писал М. В. Ломоносов:
«Там камни, как вода, кипят.
Горящи там дожди шумят».
94
16. ЕЩЕ МИЛЛИОНЫ СВЯЗЕЙ
Мы только что видели, что все явления на Солнце тес-
но связаны друг с другом. Отдельные атомы, кванты излу-
чения, магнитные поля, потоки движущейся плазмы по-
стоянно взаимодействуют. Эти взаимодействия переплете-
ны, как нити ткани. Но не меньшее число незримых
нитей соединяют явления, происходящие на Земле, с
Солнцем.
О самых очевидных из этих связей мы даже не будем
говорить: всем известно, как дорог животным и растениям
каждый солнечный луч! С благодарностью ежедневно все
живое встречает восход Солнца, а осенью, когда солнечно-
го света и тепла становится меньше, природа замирает и
увядает. Ликует и возрождается она весной под живот-
ворными лучами щедрого Солнца.
Будто следуя за движением палочки дирижера, при-
рода чутко реагирует на малейшие нюансы в солнечном
излучении, меняя свое настроепие всякий раз, когда
например, Солнце спрячется за тучами или выглянет
вновь.
Менее очевидна роль Солнца в создании земной атмо-
сферы, без постоянного контакта с которой животные, не
могут прожить и нескольких минут. Действительно, если
бы Солнце вдруг погасло (чего на самом деле, к счастью,
быть не может), то земной шар стал бы быстро охлаж-
даться. Сначала постепенно замерзли бы все реки и во-
доемы. Затем воздух настолько охладился бы, что подоб-
но туману стал бы сгущаться в облака и дождем выпа-
дать на замерзшую Землю. Потом «моря» и «озера» из
жидкого воздуха замерзли бы и вскоре Земля покрылась
бы толстой коркой замерзшего азота и кислорода! Иными
словами, солнечная энергия необходима для самого суще-
ствования и поддержания жизни, для создания тех усло-
вий, без которых о ней и речи быть не может. Однако
Солнце выполняет свои обязанности поставщика энергии
настолько регулярно, что в повседневной жизни об этой
его роли часто забывают. Как ни странно, в древности,
когда наука только зарождалась, интуитивно люди лучше
сознавали и ценили роль Солнца. Правда, они могли это
делать не иначе, как боготворя дневное светило и покло-
няясь ему. Наибольшего расцвета культ Солнца достиг в
Древнем Египте во время царствования Эхнатона. Пора-
95
зительно точно перечисляли египтяне в своих гимнах за-
слуги Солнца: <Ю, Атон, предвечный!.. Как многочислен-
ны творения твои! Ты создал Землю... Людей, животных,
все, что на Земле ходит ногами, и все, что в воздухе ле-
тает на крыльях... Ты создал времена года для рождения
всего, что ты сотворил...»
Роль Солнца не ограничивается тем потоком света и
тепла, который оно с таким постоянством посылает на
Землю. Оказывается, Солнце — источник множества дру-
гих воздействий, которые не так ярко бросаются в
глаза.
Еще в XVIII в. уже знакомый нам Горребов, который
заподозрил цикличность солнечной деятельности, заметил
еще одно важное явление. Он обнаружил, что солнечная
активность каким-то образом влияет на земной магнетизм.
В периоды усиления солнечной активности часто можно
наблюдать странное поведение стрелки компаса: она на-
чинает беспорядочно колебаться, порой настолько сильно,
что пользоваться компасом в это время невозможно. Это
явление стали называть магнитной бурей. Оказалось, что
частота возникновения магнитных бурь возрастает с уси-
лением солнечной активности. Позже заметили, что часто
магнитная буря наступает примерно через сутки после
прохождения большого пятна или группы пятен через
центральный меридиан
Солнца. Магнитные бури
сопровождаются едва ли не
самым красивым явлением
природы — полярными сия-
ниями (рис. 39).
В наше время изучение
всех этих явлений — пред-
мет целой науки, которая
называется солнечно-земные
связи. Как оказалось,
вскрыть природу того, что
происходит почти рядом,
прямо над нашей головой,
не легче, а иногда и труд-
пее, чем разобраться в свой-
ствах далеких космических
Рис. 39. Полярные сияния. объектов.
96
Рис. 40. Схема строения земной атмосферы.
7—442
В последнее время становится ясно, что замеченная в
XVIII в. связь между магнитными бурями, полярными
сияниями и солнечными пятнами не непосредственна, а
сложно опосредованна п состоит из целой цепи взаимо-
действий. От наивного представления о том, что на Зем-
лю влияет «магнетизм» солнечных пятен, пришлось со-
всем отказаться. Но если бы не было этого наивного пред-
ставления, Хейл не искал бы с таким усердием магнитное
поле у пятен. Оказывается, достижения науки и ее за-
блуждения тоже тесно взаимосвязаны. Лишь в середине
нашего столетия удалось доказать, что магнитное поле не
является непосредственным материальным носителем свя-
зи между солнечной активностью и явлениями на Земле.
Заметим, однако, что допущение такой возможности в
XVIII вм когда понятия поля еще не существовало, было
очень смелым. Сейчас мы зиаем, что главное в этом про-
цессе — поток заряженных частиц — корпускул, возника-
ющий во время солнечных вспышек. Основу солнечно-зем-
ных связей хорошо угадал М. В. Ломоносов, описывая
свои наблюдения полярных сияний. Однако и тут истина
оказалась сложнее, чем можно было думать. Частицы, с
огромной скоростью вторгающиеся в верхние слои земной
атмосферы и вызывающие их причудливые свечения, ча-
ще всего не те, что летят от Солнца!
Чтобы разобраться в общей картине этих явлений, нам
придется вспомнить, как устроена воздушная оболочка,
окружающая Землю (рис. 40).
Земная поверхность и нижние слои воздуха — тропо-
сфера, где образуются облака и возникают другие метео-
рологические явления, непосредственно получают энер-
гию от Солнца. Это происходит потому, что воздух почти
совсем прозрачен для тех длин волн, которые Солнце из-
лучает в наибольшем количестве. Это, в основном, види-
мое и инфракрасное излучения. Их энергия главным обра-
зом и нагревает воздух и сушу, определяя тепловой ре-
жим на Земле. Кроме того, в зернах хлорофилла зеленых
растений солнечное излучение вызывает химические ре-
акции, приводящие к образованию крахмала из углекис-
лого газа воздуха и воды. Но в ультрафиолетовой области,
правда в меньшем количестве, Солнце излучает более
энергичные, жесткие лучи, которые способны разрушить
живую молекулу, а от атомов оторвать связанные с ними
электроны, т. е. вызвать их ионизацию. Оказывается,
98
Солнце порождает одновременно и жизнь, и смерть! Что
же защищает нас от нашего благодетеля? На защиту
встает кислород, который так необходим для поддержания
жизни.
Ультрафиолетовое излучение Солнца разрушает моле-
кулу кислорода, которая распадается на два составля-
ющих ее атома, и возникшие таким путем свободные ато-
мы кислорода, соединяются с другими молекулами кисло-
рода, которые еще не успели разрушиться солнечным
ультрафиолетовым излучением. В результате получается
новое вещество — озон, каждая молекула которого состоит
из трех атомов кислорода. Бот этот-то озон и является на-
шей надежной защитой. Ничтожное его количество (всех
молекул озона столько, сколько их имеется в слое воздуха
у поверхности Земли толщиной 4—5 мм) «поедает» прак-
тически все ультрафиолетовое излучение Солнца, остав-
ляя лишь малую долю, достигающую поверхности
Земли.
Ионизующее ультрафиолетовое излучение Солнца на-
гревает газ и потому на тех высотах, где образуется озон,
температура составляет около 270 К, т. е. на 50 градусов
выше, чем в стратосфере.
В более высоких слоях воздух ионизован рентгенов-
ским излучением Солнца. На высотах около 100 км начи-
нается ионизация воздуха — сначала атомарного кислоро-
да, а затем молекулярного и атомарного азота. Таким об-
разом, подобно солнечной атмосфере, верхние слои земной
атмосферы представляют собой плазму, правда ионизован-
ную не до такой высокой степени, как в солнечной коро-
не. Кроме того, у Земли тоже есть своя геокорона и сос-
тоит она из ионизованного водорода (как более легкий
элемент, он поднимается в атмосфере выше всех других).
А теперь вспомним, что у Земли есть магнитное поле,
природа и происхождение которого — увлекательный рас-
сказ, но для другой книги. Вопрос «кто кого?», обсуждав-
шийся нами для энергии плазмы и магнитного поля, воз-
никает и здесь. Начиная с некоторой высоты, он решается
в пользу магнитного поля.
Магнитное поле Земли можно представить линиями
индукции, которые в отличие от солнечных лежат в мери-
диональных плоскостях. Их концы замыкаются через по-
лярные области внутри Земли. Однако такая картина су-
ществовала бы, если бы не было солнечного ветра.
7*
99
Рис. 41. Магнитосфера Земли.
В действительности, как уже отмечалось выше, мы, об-
разно говоря, живем, окруженные самыми внешними рас-
ширяющимися слоями солнечной короны. Из-за высокой
скорости частиц энергия потока разреженной солнечной
плазмы оказывается больше, чем энергия магнитного по-
ля, контролирующего верхние слои земной атмосферы.
3i i слои называют магнитосферой. Поэтому солнечный
ветер, «обдувающий» Землю, деформирует земную магни-
тосферу, придавая ей своеобразную форму капли
(рис. 41). Со стороны Солнца земная магнитосфера сжа-
та лобовым давлением солнечного ветра, а с противопо-
ложной стороны образуется длинный хвост магнитного по-
ля, обтекаемый плазмой солнечного ветра.
Таким образом, строение самых верхних слоев атмо-
сферы Земли оказывается очень сложным. Снаружи они
защищены от солнечного ветра магнитным полем (магни-
тосферой). Эту защиту солнечный ветер постоянно атаку-
ет. Не имея сил «прорвать» ее, солпечная плазма обтекает
Землю. Поэтому форма магнитного поля Земли зависит
от скорости и плотности частиц солнечпого ветра.
Энергичные частицы находятся не только спаружи, но
и внутри магнитосферы в особых полостях, образованных
магнитными линиями. Эти полости называются радиаци-
онными поясами. Находящиеся в них заряженные части-
100
цы обладают очень большими скоростями и движутся по
спиралям вдоль магнитных линий. Но, доходя до около-
полярных областей, где магнитные линии сгущаются, они
отражаются как бы от зеркал. По этой причине заряжен-
ные частицы (электроны, протоны) оказываются запер-
тыми в магнитной ловушке радиационных поясов. Возни-
кает вопрос, как энергичные частицы попадают в магпит-
ные ловушки. Скорее всего они просачиваются из солнеч-
ного ветра.
Воздействие солнечного ветра всегда происходит с
дневной стороны Земли в то время как «хвост» магнито-
сферы приходится на ночную сторону. Таким образом,
над каждым данным местом Земли в течение суток высота
магнитосферы, а следовательно, модуль и направление
вектора индукции магнитного поля все время меняются.
Кроме того, на дневной стороне под действием ультрафио-
летового и рентгеновского солнечного излучения иониза-
ция верхних слоев земной атмосферы увеличивается, а на
ночной соответственно уменьшается.
В результате в верхних слоях атмосферы постоянно
перемещаются заряды, т. е. течет электрический ток, маг-
нитное действие которого добавляется к суточным регу-
лярным изменениям индукции магнитного поля, обуслов-
ленной деформацией магнитосферы. В целом эти измене-
ния называются суточными вариациями геомагнитного
поля.
Помимо суточных имеются также более медленные.ва-
риации, происходящие с периодом около 27 дней. В сред-
нем с таким периодом активные области на Солнце, уча-
ствуя в его вращении, совершают полный оборот относи-
тельно Земли.
Причину 27-дневных вариаций удалось выяснить толь-
ко после того, как начали изучать околоземную межпла-
нетную плазму при помощи искусственных космических
аппаратов. Оказалось, что в результате взаимодействия
солнечного вращения, магнитных полей, проникающих да-
леко в корону, и радиально распространяющегося солнеч-
ного ветра межпланетная плазма приобретает своеобраз-
ную спирально-секторную структуру (рис. 42). Грубо го-
воря, все межпланетное пространство разбито на несколь-
ко (в среднем 4—5) секторов. Каждый из них обычно
связан с одним из существующих (или недавно сущест-
вовавших) центров солнечной активности. Сектора разли-
10!
Рис. 42. Спиральная структура межпланетной среды.
чаются плотностью находящейся в них плазмы, значени-
ем скорости солнечного. ветра, полярностью магнитного
поля. Спиральные границы между соседними сектора-
ми—это проникшие в корону радиально вытянутые сол-
нечным ветром и закрученные солнечным вращением
магнитные поля биполярных групп пятен.
Магнитный мостик между пятнами на Солнце и Зем-
лей все же существует, но он создает лишь возможность
для прохождения более мощного агента, воздействующего
на Землю. Таким агентом являются потоки заряженных
частиц и облака плазмы, возникающие во время солнеч-
ных вспышек. Собственно говоря, они-то и формируют
границы секторов. Их называют корпускулярными пото-
ками, так как основу их составляют мчащиеся с огромны-
ми скоростями корпускулы — свободные электроны, про-
тоны, ядра гелия и другие частицы.
После того как мы обрисовали картину строения верх-
них слоев земной атмосферы и межпланетного космиче-
ского пространства, можно рассмотреть подробнее процесс
воздействия на Землю солнечных явлений. Наиболее важ-
ными в этом отношении являются те, которые сопровож-
дают солнечную вспышку.
102
Прежде всего во время вспышки внезапно усиливается
рентгеновское излучение. Особенно важно то, что рентге-
новские кванты от вспышки во много раз энергичнее, чем
от короны. Вместе с видимым и радиоизлучением вспыш-
ки всплеск рентгеновского излучения обгоняет корпуску-
лярный поток и через 8 7з мин подходит к Земле. Рентге-
повское излучение вспышки тут же поглощается верхни-
ми слоями земной атмосферы и быстро увеличивает их
ионизацию. Возникающий при этом электрический ток
своим магнитным действием приводит к резкому, хотя и
небольшому уменьшению индукции магнитного поля на
Земле, которая затем плавно восстанавливается.
Увеличение ионизации ионизованных слоев земной ат-
мосферы (ионосферы) приводит к изменению режима рас-
пространения радиоволн. Короткие волны, обычно исполь-
зуемые для связи на большие расстояния, начинают силь-
но поглощаться, связь на них временно прекращается (за-
мирание радиосвязи). Одновременно может быть принята
какая-нибудь далекая радиостанция, работающая на длин-
ных волнах. В обычное время эти волны принимаются
лишь в небольшом радиусе. Это явление связано с тем,
что с усилением ионизации длинные волны, которые обыч-
но проходят сквозь ионосферу, начинают от нее отражать-
ся подобно коротким волнам.
Солнечные космические лучи, порожденные вспышкой,
распространяются чуть медленнее, чем электромагнитное
излучение, и приходят на Землю с небольшим запоздани-
ем. Частично их удается регистрировать.
Основной корпускулярный поток от вспышки движет-
ся сравнительно медленно (1000—1500 км/с). При благо-\
приятном расположении Земли относительно области
вспышки он может достигнуть Земли, но лишь на следу-
ющие сутки. Он несет с собой магнитное поле. Встречая
преграду в виде земной магнитосферы, корпускулярный
поток начинает ее обтекать и деформировать. Возника-
ющие при этом электрические токи приводят к внезапно
начинающимся большим колебаниям индукции магнитно-
го поля Земли, т. е. к магнитным бурям.
В это время энергичные частицы радиационных поя-
сов, а иногда и некоторые атомы из самих корпускуляр-
ных потоков прорываются сквозь магнитные ловушки и,
отклоненные земным магнитным полем в полярные облас-
ти, вторгаются в более низкие слои земной атмосферы.
103
На высотах 100—200 км быстрые протоны и электроны,
сталкиваясь с молекулами воздуха, ионизуют, возбуждают
их и заставляют светиться. В результате на Земле, пре-
имущественно в околополярных широтах, наблюдаются раз-
ноцветные причудливые сияния. По форме они необычай-
но разнообразны: дуги, спирали, полосы, ленты, занаве-
си и т. д.
Мы перечислили только самые главные и очевидпые
проявления солнечного воздействия на Землю. В действи-
тельности они гораздо сложнее, разветвленнее и много-
численнее. Но уже приведенных примеров достаточно,
чтобы стала очевидной сильная зависимость условий в
верхних слоях земной атмосферы от свойств солнечного
ветра и уровня солнечной активности. Солнце влияет на
электрическое и магнитное поле нашей планеты. При этом
очень важно, что изменения, возникшие в верхних слоях
атмосферы, через электромагнитные процессы передаются
в нижние и каким-то еще пе вполне ясным путем оказы-
вают воздействие на климатические, биологические и мно-
гие другие явления.
Климат — исключительно сложное явление. Он опреде-
ляется тепловым балансом нашей планеты, который под-
вержен плавному сезонному изменению. Большую роль
играют условия рельефа данной местности, близость тех
или иных водоемов, тепловой режим в них, взаимодейст-
вие с соседними областями, происходящее прежде всего
через обычный ветер. Ветер, в свою очередь, есть реакция
атмосферы на возникновение в ней областей с различным
давлением.
И все же, несмотря на огромную сложность климати-
ческих явлений, в них удается проследить определенное
воздействие солнечной активности. Еще недостаточно яс-
но, как именно происходит это воздействие, через какие
промежуточные взаимосвязи оно осуществляется. И все
же проследить это влияние может даже не слишком под-
готовленный наблюдатель.
С первого взгляда изменение погоды представляется
совершенно случайным процессом. Но, понаблюдав, мож-
но заметить, что чаще всего периоды «хорошей» и «пло-
хой» погоды чередуются. Удается даже найти среднее зна-
чение промежутка времени, в течение которого погоду
можно считать примерно одинаковой. Разумеется, при
этом надо отвлечься от регулярных и порой существенных
104
изменений, связанных со сменой дня и ночи. Число смен
цогодных режимов за месяц (скажем, 4—6) уже наводит
на мысль о возможной их связи с секторной структурой
магнитного поля. Действительно, примерно за месяц Солн-
це совершает полный оборот вокруг своей оси и все секто-
ра этого поля проходят через Землю. Тщательный мате-
матический анализ метеорологических данных и сопостав-
ление их с плотностью и скоростью солнечного ветра в
околоземном космическом пространстве показывают, что
переломные моменты в метеорологических явлениях дей-
ствительно тяготеют к моментам пересечения Землей
границ секторов межпланетной среды.
В периоды времени, когда отсутствуют резкие метео-
рологические скачки, можно заметить тенденцию к плав-
ному и постепенному изменению характера погодных яв-
лений. Например, сначала утром ясно, к полудню небо
покрывается облаками, затем время появления этих обла-
ков может постепенно смещаться на более ранние или
поздние часы. Или наблюдается общая тенденция погоды,
скажем, к улучшению. Подобные тенденции явно имеют
сезонный характер и связаны с постепенным изменением
теплового режима планеты, который вызывается движени-
ем Земли вокруг Солнца и наклонением оси вращения ее
к эклиптике. Можно предположить, что если бы не было
солнечной активности, типичными были бы плавные из-
менения погодных режимов. Но вот вдруг наблюдается
резкое изменение погоды. В отдельных случаях это, без
сомнения, результат накопившихся метеорологических
факторов (сформировался циклон, освободились ото льда
реки и озера, начали таять снега и т. д.). Но очень часто
причины разных переломов погоды связаны с солнечной
активностью, в частности либо с возникновением вспыш-
ки, либо с тем, что Земля пересекла границу секторов
солнечного ветра.
Нам осталось коснуться еще одной чрезвычайно важ-
ной, но недостаточно еще изученной проблемы, а именно
воздействия солнечной активности на биологические явле-
ния. Можно уже не сомневаться, что эти воздействия за-
ведомо существуют. Важно ус!анойить, связаны ли они
с непосредственным влиянием Солнца на организмы, на-
пример, через какой-то особый, неизвестный вид солнечно-
го излучения, как полагал основоположник гелиобиологии
А. Л. Чижевский, или они — следствие опосредованных
105
взаимосвязей (например, через климат, магнитное поле
и т. д.).
Хорошо известно, что толщина годичных колец при-
роста древесины имеет 11-летнюю периодичность, связан-
ную с циклом солнечной активности. Здесь очевидно влия-
ние определенных условий в период вегетации растений,
и в первую очередь влажности. Однако оказалось, что ва-
риация толщины колец деревьев, произрастающих в зонах
постоянной увлажненности, очень хорошо связана с сол-
нечной активностью, а метеорологические показатели в
том же районе реагируют на изменение числа пятен на
Солнце значительно слабее. Ту же особенность можно за-
метить и у целого ряда других биологических явлений.
Мы видели, что Земля хорошо защищена от солнечной
ионизующей и проникающей радиации. Поэтому скорее
всего биосфера находится под влиянием некоторого гло-
бального (общеземного) фактора, который, в свою оче-
редь, испытывает непосредственное воздействие от
Солнца.
Возможно, этим фактором является колебание электро-
магнитного поля у поверхности Земли. Многие исследова-
тели полагают, что это поле служит как бы посредником
между солнечной активностью и биосферой. Важно, что
оно является переменным, причем в весьма широком диа-
пазоне частот. Следовательно, переменное электромагнит-
ное поле Земли сродни обычному электромагнитному из-
лучению. По частотам оно приходится на область средних,
длинных и сверхдлинных радиоволн, излучаемых нагреты-
ми телами или грозовыми разрядами. Однако интересу-
ющее нас излучение не является ни тепловым, ни порож-
денным электрическими разрядами. Оно вызывается
колебаниями индукции магнитного поля Земли, «атакуемо-
го» солнечным корпускулярным потоком. Оно также мо-
жет вызываться электрическими токами, связанными с
дополнительной ионизацией ионосферы рентгеновским из-
лучением вспышки.
Экспериментально установлено, что переменные элект-
ромагнитные поля влияют на живые организмы, причем
сильнее всего на сверхнизких частотах, в диапазоне не-
скольких герц. Опыты ставились на бактериях, насеко-
мых, рыбах, земноводных и теплокровных животных.
Каждый вид по своему реагирует на переменное элект-
ромагнитное поле на определенных частотах. Бактерии,
106
например, меняют скорость роста и размножения. Рекорд-
ной чувствительностью к вариациям электромагнитного
поля обладают, по-видимому, некоторые виды рыб. Тепло-
кровные животные реагируют изменением ритмов сердеч-
но-сосудистой системы. Поэтому не удивительно, что наи-
более сильная реакция происходит в диапазоне частот
около нескольких герц, вблизи которых находятся частоты
пульсов многих животных. Здесь могут возникать своеоб-
разные резонансы или биения, приводящие к сильным
воздействиям.
Наибольшие амплитуды колебаний электромагнитного
поля Земли происходят на определенных частотах. Воз-
действие рентгеновского излучения вспышек приводит к
возникновению колебаний в области 0,04 Гц, а во время
магнитных бурь генерируется множество частот от пяти
герц до нескольких тысячных долей герца.
Вариации электромагнитного поля Земли — не единст-
венный возможный посредник гелиобиологических связей.
Не исключена также заметная роль атмосферного инфра-
звука. Но эта интересная область геофизики еще очень
мало изучена.
17. ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ИЛИ СЛУЧАЙНОСТЬ?
Мы начали с многообразия звезд, а затем более вни-
мательно рассмотрели Солнце как типичного их предста-
вителя. Изучив подробности строения Солнца и его взаи-
модействие с явлениями на Земле, мы теперь можем бо-
лее широко взглянуть на всю проблему роли звезд во
Вселенной. И это представляется нам самым главным, ра-
ди чего написана книга. Вернемся снова к роли Солнца
для нас.
Солнце как постоянно действующий источник энергии
необходимо для возникновения и поддержания биосферы.
Важно, что этот источпик энергии должен обладать опре-
деленными свойствами. Главное из них — постоянство из-
лучательной способности в течение весьма длительного
периода времени. И это постоянство обеспечивается тем,
что у большинства звезд, в том числе и нашего Солнца,
имеется длительная стадия эволюции, в течение которой
светимость и размеры звезды изменяются крайне медлен-
но. Это как раз та стадия, которую переживает в настоя-
щее время наше Солнце, а именно эпоха медленного пре-
10'
вращения водорода в гелий. Характер этого процесса
определяется двумя обстоятельствами: во-первых, преобла-
данием водорода над всеми другими химическими элемен-
тами, а во-вторых, медленностью исходной реакции, с ко-
торой начинается большинство ядерных превращений в
недрах звезд. Как мы видели (п. 5), для того чтобы на-
чалась реакция, должны тесно сблизиться два протона.
А ведь они постоянно стремятся оттолкнуться друг от
друга в силу действия закона Кулона для одноименных
электрических зарядов. Поэтому сблизиться они могут
лишь в редких случаях, когда у них велики индивидуаль-
ные скорости движения и к тому же направлены эти ско-
рости в точности навстречу друг другу. Но этого мало.
Надо еще, чтобы в этот момент одному из протонов уда-
лось превратиться в нейтрон. А это событие обладает уже
совсем ничтожной вероятностью. Для каждой пары прото-
нов его надо ждать миллиарды лет.
Каким поистине поразительным образом связано по-
стоянство свечения звезд со свойствами элементарных час-
тиц вещества!
Постоянство действия источпика энергии, столь необ-
ходимое для возникновения жизни, зависит не только от
свойств звезд, связанных, как мы видим, с фундаменталь-
ными законами природы. Опо также следствие определен-
ных свойств планетных систем. Важнейшее из этих
свойств — постоянство расстояний от планет до звезды,
т. е. близость орбит к круговым.
Круговые формы орбит большинства планет, естест-
венно, получаются как результат постепенного гравита-
ционного сжатия вращающегося протопланетного газово-
пылевого облака. Но постоянства потока энергии, получае-
мого планетой от Солнца, еще недостаточно, чтобы усло-
вия на ней стали благоприятными для возникновения
жизни. Необходимо, кроме того, чтобы этот поток был не
слишком большим и не слишком малым, а таким, кото-
рый поддерживает в жидком состоянии наиболее важное
для жизни соединение — воду. Как во многих приборах,
эта задача «решена», так сказать, в два приема: путем
«грубой» и «тонкой» регулировки. Действительно, вокруг
Солнца образовалось множество планет на разных рас-
стояниях так, что хотя бы на некоторых из них осущест-
вились условия, близкие к оптимальным. А более тонкое
разнообразие осуществляется благодаря наличию у планет
'08
некоторого наклона осей вращения к плоскости орбиты
и связанного с этим плавного изменения тепловых усло-
вий от полюса к экватору (тепловые пояса). Заметим,
кстати, что само наличие вращения (т. е. смена дня и но-
чи) необходимо для постоянного выравнивания условий
по всей планете. Таким образом, жизнь не могла возник-
нуть пи на слишком далеких, ни па слишком близких к
Солнцу планетах, где температурные условия далеки от
оптимальных, ни на слишком малых телах, орбиты кото-
рых вытянуты или которые замедлили свое вращение из-
за приливных воздействий со стороны Солнца.
Жизнь, возникающая на планете, должна быть надеж-
но защищена от ионизующей и проникающей радиации
звезды. В этой защите, как мы видели, огромную роль иг-
рает магнитное поле планеты и определенный химический
состав атмосферы, обеспечивающий поглощение жесткого
излучения.
Казалось бы, сказанного достаточно, чтобы оценить
фундаментальную роль звезд в обеспечении условий для
создания принципиальной возможности возникновения
высших форм материи. Однако этого мало. Появление
сложных молекулярных соединений, приводящее к обра-
зованию аминокислот и белков, в конечном счете требует
наличия определенных химических элементов, и в первую
очередь (помимо водорода) углерода, азота и кислорода.
Важно, что этих элементов должно образоваться доста-
точно много и притом в определенных пропорциях или
хотя бы в соизмеримых количествах. Элементы С, О и N
по своему количеству в природе занимают промежуточ-
ное место между водородом и гелием, с одной стороны,
и металлами — с другой. Любопытно, что этот факт —
следствие целого ряда специфических свойств атомных
ядер. Одно из них — исключительная нестабильность изо-
топа беррилия с атомной массой 8 (8Ве), который мог бы
возникать при столкновении двух а-частиц, если бы прак-
тически мгновенно не распадался (за 5-Ю""11 с!). По этой
причине после водородных реакций наиболее существен-
ной в з-вездах оказывается гелиевая ядерная реакция, про-
исходящая при одновременном столкновении трех альфа-
частиц, в результате которой возникает устойчивое ядро
углерода 12С. Тройные столкновения — весьма редкие со-
бытия, так что эта реакция, называемая тройным альфа-
процессом, идет достаточно медленно. Здесь слова «доста-
109
точно медленно» надо понимать с точки зрения эволюции
звезды, т. е. реакция способна поддержать излучение
звезды и спокойный темп ее эволюции. При слишком
быстро протекающей реакции ядерная энергия выделя-
лась бы с такой скоростью, что звезда взорвалась бы.
Следовательно, достаточное количество атомов данного хи-
мического элемента может синтезироваться в звездах
только в результате медленных реакций: при взрыве ус-
пеют возникнуть лишь ничтожные количества новых ато-
мов. Кстати, именно так, по-видимому, возникают элемен-
ты, находящиеся в конце менделеевской таблицы.
Накоплению ядер углерода и кислорода способствуют
определенные соотношения между возможными значения-
ми энергий этих ядер, благодаря чему углерод образуется
в результате реакции, имеющей резонансный характер.
Для кислорода такого резонанса нет, так что углерод не
стремится сразу же перейти в кислород и оба элемента
накапливаются в соизмеримых количествах.
Таким образом, образование определенных химических
элементов в количествах, обеспечивающих дальнейшую
эволюцию материи, например жизнь на Земле,- является
результатом переплетения многих закономерностей. Пу-
тем соединения с ядрами гелия в звездах образу-
ются такие элементы, как неон, магний и т. д. вплоть до
элементов группы железа (Ti, V„ Cr, Mn, Fe, Co, Ni). Для
образования остальных элементов периодической таблицы
Менделеева необходимы нейтроны. Они возникают в ре-
зультате взрывов сверхновых, особых стадий эволюции
массивных звезд, у которых центральная часть состоит из
сильно сжатых железных паров. В недрах этих звезд со-
здается огромное давление. По мере эволюции звезды это
давление возрастает все сильнее и сильнее, и начиная с
некоторого момента ядра железа не выдерживают этого
давления и распадаются на ядра гелия. При этом образу-
ется много нейтронов, звезда сжимается еще сильнее,
происходит ядерный взрыв. Быстрые нейтроны и ядра
гелия, соединяясь с атомами железа, образуют различные
тяжелые ядра.
Мы в общих чертах нарисовали картину возникнове-
ния химических элементов во Вселенной. Детали всех
этих процессов значительно сложнее. О некоторых суще-
ственных моментах мы даже не упоминали. Например,
ядра гелия образуются не только в недрах звезд. Значи-
ло
тельное их количество возникло на ранних этапах разви-
тия Вселенной, еще до формирования звезд. Однако все
подобные детали не меняют главного нашего вывода — о
роли звезд как очагов формирования химических элемен-
тов. Значит, звезды — необходимый этап эволюции ве-
щества во Вселенной, самые главные объекты, где сосре-
доточены эволюционные процессы.
Для того чтобы все фазы эволюции вещества могли бы
происходить во Вселенной, повсюду необходимо, чтобы
химические элементы, возникшие в звездах, были хорошо
«перемешаны». Такое перемешивание действительно про-
исходит главным образом, благодаря часто происходящим
выбросам газа из звезд. Некоторые звезды являются ис-
точниками непрерывного медленного истечения газа, по-
добного солнечному ветру нашего Солнца. Другие звезды
постоянно выбрасывают более мощные сгустки газов и да-
же сбрасывают целые оболочки (как, например, звезды
типа Вольфа — Райе или новые). Наконец, наиболее
мощные выбросы вещества происходят во время уже упо-
минавшихся вспышек сверхновых. На ранних стадиях
эволюции Вселенной чаще образовывались наиболее мас-
сивные звезды, а они, будучи более горячими, эволюцио-
нируют быстрее менее массивных. К тому же они чаще
выбрасывают из себя газ. Оба эти обстоятельства приво-
дят к достаточно хорошему и быстрому перемешиванию
химических элементов в природе.
Мы видим, что явления, происходящие в звездах или
связанные с ними, способствуют тому, что всюду во Все-
ленной создаются условия, благоприятные для дальней-
ших этапов развития материи вплоть до возникновения
высших форм. Поэтому то, что произошло в нашей Сол-
нечной системе, у нас на Земле, вполне может иметь ана-
логию и где-то в других звездных системах. Формы раз-
вития материи не обязательно должны повторять извест-
ные нам земные. Природа может оказаться бесконечно
«изобретательной». Вместе с тем если когда-нибудь успе-
хи космонавтики позволят нам заглянуть в удаленный от
нас на сотни тысяч световых лет певедомый мир и обна-
ружить в нем высшие формы материи, принципиально не
отличающиеся от земной биосферы, то это будет доказа-
тельством величайшего единства природы, основа которо-
го заложена в звездах. Очень интересно, что нас породи-
ло: закономерность или случайность?
111
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
3
1. ЗВЕЗДЫ И ГАЛАКТИКИ
5
2. ЧТО МОЖНО УЗНАТЬ О ВЕЩЕСТВЕ ЗВЕЗД?
12
8. СКОЛЬКО МОЖЕТ БЫТЬ РАВНОВЕСИЙ?
16
4. ЗВЕЗДЫ И ПИРАМИДЫ
19
5. ОТКУДА БЕРЕТСЯ ЭНЕРГИЯ ЗВЕЗД?
30
6. НЕУЛОВИМЫЕ НЕЙТРОНЧИКИ
37
7. «КИПЯЩАЯ» ПЛАЗМА
40
8. ПОЧЕМУ СНАРУЖИ ХОЛОДНЕЕ?
43
9. ПОЧЕМУ ДАЛЬШЕ ОПЯТЬ ГОРЯЧЕЕ?
46
10. КАК ВРАЩАЕТСЯ СОЛНЦЕ?
56
II. ПОЛЕ БЕЗ МАГНИТА
61
12. ЧТО ТАКОЕ СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ?
69
IS. ПЛАЗМЕННЫЙ ВЕТЕР
81
14. УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЧАСЫ
84
IS. ТЫСЯЧА ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
87
16. ЕЩЕ МИЛЛИОНЫ СВЯЗЕЙ
95
17. ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ИЛИ СЛУЧАЙНОСТЬ?
107
ЭДВАРД ВЛАДИМИРОВИЧ КОНОНОВИЧ
СОЛНЦЕ-ДНЕВНАЯ ЗВЕЗДА
Редактор Л. С. Мордовцев а
Художник обложки С. Ф. Лухин
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технический редактор М. М. Широкова
Корректор О. В. Ивашкина
ИБ № 5180
Сдано в набор 07.05.81. Подписано к печа-
ти 09.12.81. А12255. 84x108732. Бумага ти-
погр. № 1 ленингр. Гарн. обыкн. новая.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 5,88. Усл.
кр.-отт. 12,13.. Уч.-изд. л. 5,70. Тираж
100000 экз. Заказ № 442. Цена 20 коп.
Ордена Трудового Красного Знамени изда-
тельство «Просвещение» Государственного
комитета РСФСР по делам издательств, по-
лиграфии и книжной торговли.
Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Ярославский полиграфкомбинат Союзпо-
лиграфпрома при Государственном коми-
тете СССР по делам издательств, полигра-
фии и книжной торговли. 150014, Яро-
славль, ул. Свободы, 97.