А.Л.Чижевский
Земля в объятиях Солнца
ЧАСТЬ I
Глава 1
Периодическая деятельность Солнца и ее влияние на физический мир Земли
Первым объектом на Солнце, который привлек внимание человека в давнее прошедшее время и с изучения которого в XVII в. началось изучение физики Солнца, были солнечные пятна. Вот уже протекло с тех пор три столетия, и XIX-XX вв. ознаменовались целым рядом крупнейших открытий в области физического анализа солнечных явлений, а интерес к пятнам не только не уменьшился, напротив того, сильно возрос в связи с недавними открытиями.
В самом деле, солнечные пятна явились тем наиболее удобным объектом изучения из ряда других солнечных явлений, который позволил уже в первые годы наблюдения сделать несколько открытий первостепенной научной важности. По-видимому, наука только вступила в обладание основными тайнами солнечного механизма, которому суждено будет еще не раз приковать к себе внимание всего мыслящего человечества.
В 1610 и 1611 гг. открытие пятен на Солнце было сделано, по-видимому независимо друг от друга, Фабрициусом (Fabricius, 1587-1615), патером Шейнером (Scheiner, 1575-1650), Галилеем (Galilei, 1564-1642) и Гарриотом (Harriot, 1560-1621). Согласно современным правилам научного приоритета, честь первооткрытия принадлежит Фабрициусу; он первый напечатал о своем открытии, сделанном им 9 марта 1611 г., работу под заглавием «De maculis in Sole observatis et apparente carum cum Sole convertione narratio, Wittenburgoe» [«Описание наблюдаемых на Солнце пятен, передвигающихся вместе с Солнцем».], чем положил начало изучению физики Солнца.
Окончательное установление существования пятен на Солнце было необходимым следствием изобретения Галилеем в 1610 г. телескопа.
Как только Фабрициус напечатал работу о солнечных пятнах, Галилей и Шейнер сделали заявление о том, что наблюдали пятна еще раньше Фабрициуса, а именно в 1609 г. Одновременность открытия пятен на Солнце вызвала в свое время ожесточенный спор за право приоритета, который еще усугубило вмешательство церкви. Шейнер был духовным лицом и членом ордена иезуитов, известного строгой дисциплиной и слепой приверженностью учению Аристотеля. Когда после многократных наблюдений пятен на Солнце Шейнер в марте 1611 г. явился сообщить об этом своему начальнику, бывшему ярым перипатетиком, сторонником чистоты и незапятнанности Солнца, он услышал горячую отповедь и запрещение публиковать свои наблюдения, которые начальник ордена считал безусловно ошибочными, результатом каких-либо недостатков в органе зрения или в оптическом приборе. Только после того как Фабрициус опубликовал свои наблюдения, это было разрешено и Шейнеру. В его публикации знаменательно то обстоятельство, что, желая сохранить чистоту и совершенство Солнца, он, по личному ли почину или по настоянию начальника, пытался объяснить появление пятен прохождением перед диском Солнца находящихся недалеко от его поверхности темных пятен или планет, которые другой услужливый астроном и каноник из Сарлата, Тарде (Tarde), поспешил окрестить в честь царствовавшего в то время во Франции Людовика XIII (1610-1643) «бурбонскими светилами» (Sidera Borbonia), в то время как бельгийский иезуит Малаперти (Malaperti) назвал их «сидера Аустрика» (Sidera Austrica).
Мнения Шейнера ни Галилей, ни Фабрициус не разделяли. Они признали пятна за образования на самой поверхности Солнца. По этому поводу между Галилеем и Шейнером завязался спор, который, как полагают, оказался роковым для Галилея. Своими саркастическими замечаниями Галилей возбудил ненависть к себе со стороны перипатетиков, состоявших из католического духовенства и иезуитов, перед судом которых Галилею было суждено предстать в 1633 г. по обвинению в еретичестве. Вскоре, однако, и сам Шейнер должен был признать правоту утверждений Галилея. Действительно, наблюдая пятно, находящееся на краю диска, нетрудно было заметить, что оно здесь обладает значительно замедленным движением, чем тогда, когда находится в центре солнечного диска. Эту разницу в скорости движения пятна Галилей объяснил влиянием перспективы из-за сферической поверхности Солнца. Уже через два года, исходя из данных о движении солнечных пятен, Галилей, а с ним одновременно Фабрициус и Шейнер открыли скорость обращения солнечного тела вокруг своей оси, определив полное время обращения в 26-27 дней.
Уже первые наблюдения показали, что солнечные пятна не представляются сплошными, а обычно имеют черное ядро и вокруг него сероватую кайму или полутень. Теперь мы знаем, что солнечное пятно возникает обычно в виде темной точки на поверхности фотосферы; затем его окружает полутень. В то же время точка растет, расширяется, и в течение нескольких дней, а иногда и нескольких часов образуется пятно. Центральная часть пятна носит название «ядро» и представляется нам темной, в действительности же она в 2000 раз светлее полной Луны. От внешних краев полутени радиально распространяются полосы, имеющие вид пучков, светлых в центральной области и темных на периферии. Перед исчезновением пятна ядро его делится на две или три части, образуя тем самым меньшие пятна, которые все время уменьшаются, пока наконец не станут невидимыми в телескоп.
Пятна бывают различных размеров. Весьма часто в периоды максимумов встречаются пятна, видимые невооруженным глазом, т. е. имеющие около 50". Группы пятен достигают иногда огромных линейных размеров, до 250 тыс. километров, и покрывают площади в сотни миллионов квадратных километров. Так, например, в 1858 г. было видно пятно, покрывавшее 1/30 всей поверхности Солнца. Октябрьское пятно 1903 г. имело поперечник 200 тыс. километров, т. е. в 16 раз превосходило диаметр Земли. Февральское пятно 1905 г. имело ширину 180 тыс. километров.
Сроки существования пятен так же различны и прихотливы, как и их размеры. Я очень часто наблюдал пятна, которые жили лишь несколько дней, чтобы исчезнуть бесследно; но бывают пятна, которые держатся в течение трех или четырех оборотов Солнца, т. е. почти три месяца. Как известно, одно обращение Солнца вокруг оси занимает приблизительно 27 суток (синодическое время обращения). Следовательно, сохраняющее свою жизнедеятельность пятно в течение 13,5 суток проходит по солнечному диску, чтобы затем на такой же срок исчезнуть из глаз наблюдателя. С момента же появления пятна из-за края Солнца до вступления его в линию центрального солнечного меридиана проходит около недели. Впрочем, эти сроки не вполне точны, ибо Солнце вращается не так, как вращается твердое тело, все части которого движутся вместе. Пятно, находящееся в экваториальной зоне, при условии его длительного существования делает полный оборот вместе с Солнцем в течение 25 суток, в то время как пятно, возникшее на широте 45°, совершает полный оборот в 27,5 суток. Ближе к полюсам период вращения Солнца еще длиннее.
Замечательно то обстоятельство, что пятна образуются не на всех широтах. Они рождаются главным образом в двух поясах, расположенных по обеим сторонам экватора, – именно между 10 и 30° широты. Это так называемая царская зона. На самом экваторе пятна бывают очень редко, еще реже они появляются за 35° широты. Увеличение числа пятен влечет за собою расширение поясов, в которых пятна наблюдаются, что обычно и случается в годы максимумов.
Уже давно замечено, что солнечные пятна образуют группы, располагаясь одно за другим и принимая вытянутые формы. Жизнь групп солнечных пятен всегда протекает более или менее определенно, претерпевая ряд этапов. Лишь небольшие и недолговечные группы являются исключением из общего правила.
Причина постоянства в развитии форм групп долгое время была загадкой, которую удалось разрешить лишь после того, как обнаружилось, что пятна являются носителями магнитного поля и что противоположные концы групп имеют противоположную полярность. Таким образом, форма групп и ее видоизменения оказались обязанными самой сущности явления – магнитной полярности пятен группы, а не какой-либо случайной причине.
Большинство наблюдавшихся групп были биполярными. Такие группы образуются из двух начальных небольших пятен различной полярности, расположенных на одной и той же гелиографической широте и вытянутых по долготе до четырех градусов.
В начале развития пятен, вскоре после возникновения, их жизнь протекает чрезвычайно быстро, и через 5- 10 дней они достигают своей наивысшей степени: оба основных пятна вырастают с каждым днем все больше и больше, а между ними и около них рождаются пятна меньшего размера. По прошествии нескольких дней легко заметить, что главные пятна группы отодвинулись одно от другого, достигнув разницы по долготе до 10-15 градусов. В то же время бросается в глаза одно явление, сохраняющее постоянство в большинстве случаев, а именно: западное пятно остается всегда немного больше и симметричнее, чем восточное, так как в течение всей своей жизни подвергается меньшим изменениям. По-видимому, восточное пятно по своей внутренней структуре является менее устойчивым, так как и исчезает оно первым.
Исчезновение пятен, или их распад, наступает несколько дней спустя после того, как группа переживет наиболее активную стадию своего развития. Замечается, и притом в большинстве случаев, что процесс распада групп протекает значительно медленнее, чем процесс их образования и развития. Раздробление начинается с восточного пятна: оно быстро уменьшается в размерах, разделяясь на множество мелких пятен. Через 5 – 10 дней, после прохождения группы пятен через точку наивысшей активности, от нее остается только западное пятно. Это пятно может жить очень долго: лишь через несколько недель, а в иных случаях только через несколько месяцев оно начинает уменьшаться, постепенно сходя на нет.
Открытие солнечных пятен в 1610 г. привлекло внимание астрономов того времени, и с тех пор Солнце сделалось предметом ежедневного наблюдения.
 |
| Рис. 2. Угол положения солнечной оси и вид солнечного экватора. Пунктиром обозначена зона наибольшей частоты появления солнечных пятен. На экваторе пятна появляются редко. |
Мариотт в Оксфорде и Шейнер в Ингольштадте были одними из самых внимательных наблюдателей в прежние времена, хотя Шейнер упоминает, что отмечал лишь те пятна на поверхности Солнца, которые ему были нужны для определения периода вращения Солнца вокруг своей оси. К этим наблюдателям присоединились многие другие. Большая часть записей была утеряна, другие оказались посредственными и не могли быть приняты во внимание. Затем за пятнами наблюдали Гук (Hooke), Гюйгенс (Huygens), Кассини (Cassini), Маральди (Maraldi), которые сообщали сведения о пятнах, полагая, что это дело заслуживает внимания. С 1749 по 1799 г. с большим усердием следил за солнечною деятельностью Штаудахер (Staudacher) из Нюрнберга. Цуккони (Zucconi) и Фложерж (Flaugergues) также оставили о пятнах очень точные сведения.
Огромная заслуга по собиранию материала наблюдений за пятнами принадлежит профессору Рудольфу Вольфу (Wolf, 1816 – 1896). В течение многих лет он занимался собиранием, проверкою и изучением не изданных и не опубликованных различными наблюдателями материалов в разные периоды, начиная со времени изобретения телескопа.
Путем обработки всего собранного материала Вольф получил возможность наметить вехи солнечной деятельности, максимумы и минимумы ее за время с 1610 г., а затем и вывести более точный период пятнообразования. Для этих целей Вольфу пришлось прибегнуть к выводу «относительных чисел» солнечных пятен, получаемых по формуле:
r = K(10g+f)
где g – число групп пятен, f – общее число пятен во всех группах и отдельных пятен в день наблюдения и К – коэффициент, зависящий от наблюдателя и его трубы. Как потом было подтверждено фотографическими исследованиями Де ля Рю (De la Rue) и Стюарта (Stewart), эти относительные числа оказались приблизительно пропорциональны площади, покрытой пятнами, хотя, конечно, далеко не удовлетворительны с математической точки зрения. Ввиду того, что группы пятен, как и сами пятна, бывают различной величины, то, следовательно, площадь, занятая ими, выражается этою формулой сравнительно неточно. Так как степень интенсивности влияния пятен на земные процессы, по-видимому, обусловлена размерами занятых ими площадей, то для изучения этого влияния было бы желательно знать площадь пятен при прохождении их через центральный меридиан Солнца, с поправкой на интенсивность их влияния в зависимости от положения их на той или иной широте Солнца.
Обработка собранного Вольфом, а после его смерти Вольфером (Wolfer) материала дала результаты, представленные в приводимой нами полностью табл. 6 в последней ее редакции. Эти данные приходится считать наиболее верными вехами, показывающими распределение во времени максимальных и минимальных напряжений пятнообразовательной деятельности Солнца. Из этих данных видны колебания длины периода пятнообразования и степень достоверности и точности самого материала.
Из рассмотрения этой таблицы легко видеть, что период солнцедеятельности лишь в среднем арифметическом равен 11 годам, а отдельно дает уклонения в одну и другую сторону от 11, достигающие нескольких лет. Таким образом, определить эпохи максимумов или эпохи минимумов за долгий исторический период путем экстраполяции не представляется возможным из-за индивидуальных особенностей каждого периода.
Между тем определение максимумов и минимумов солнцедеятельности за большие периоды исторического времени имеет огромнейший научный интерес. Поскольку расширяется проблема о влиянии периодических процессов Солнца на земные явления, постольку вырастает интерес к тому, как распределялись даты максимумов и минимумов периодической деятельности Солнца в отдаленные исторические эпохи. В целях определения этих дат приходится прибегать к другим источникам, хотя и менее достоверным, чем непосредственные наблюдения за солнечными пятнами, но зато не менее обширными и охватывающими огромный промежуток времени.
Как теперь несомненно установлено, в эпохи максимальных напряжений в деятельности Солнца на Земле развивается ряд физических явлений, из них некоторые могли быть замечены людьми в различные эпохи и зафиксированы в анналах или хрониках. К таковым явлениям должны быть отнесены полярные сияния, круги вокруг Солнца и Луны (галосы), грозовая деятельность и отчасти усиленные пульсации воздушного океана, выражающиеся в бурях, ураганах, циклонах и т. д. Особенно достоверными в деле фиксирования дат максимального напряжения в солнцедеятельности за исторический период представляются, без сомнения, северные сияния, большинство из которых точно согласуется со временем прохождения пятен через центральный меридиан Солнца. Северные сияния в зависимости от различных, а главным образом космических, причин бывают видимы иногда на южных параллелях и тогда могут явиться критерием для определения силы напряженности в деятельности Солнца. С другой стороны, частота полярных сияний также является важнейшим фактором, по которому можно делать заключения о числе прохождения групп пятен через центральный меридиан, а следовательно, и о степени напряжения пятнообразовательного процесса.
 |
| Рис. 3. Кривая Вольфа-Вольфера. Периодическая деятельность Солнца с 1749 по 1936 г. (по данным астрономической обсерватории в Цюрихе) |
Дело в том, что полярные сияния, как показывает само их название, появляются чаще всего близ полюса. Число их, однако, достигает максимума в кругах, которые внутри себя заключают магнитные и географические полюсы. Так, северный пояс максимумов полярных сияний идет через мыс Челюскин, к северу от Новой Земли, вдоль северо-западного берега Норвегии, несколькими градусами южнее Исландии и Гренландии, посреди Гудзонова залива и через северо-западный выступ Аляски. Начиная от этого круга, число северных сияний быстро убывает по направлению к югу. В Стокгольме они наблюдаются реже, чем в Лапландии, в 5 раз, а в Берлине – в 30 раз.
Следующая таблица дает представление о среднем годовом числе северных сияний на пространстве Европейской России.
Таблица 1.
| Широта, градусы | Число сияний в год | |
| на меридиане Санкт-Петербурга | на меридиане Баку | |
| 45 | 0,3 | 0,1 |
| 50 | 0,8 | 0,5 |
| 55 | 3,0 | 1,0 |
| 60 | 8,0 | 5,0 |
| 65 | 28,0 | 10,0 |
| 70 | 100,0 | 55,0 |
| 75 | 80,0 | 90,0 |
В качестве очень важного подсобного материала для решения данного вопроса могут служить и другие метеорологические явления, как это я только что указал, а кроме того, и непосредственные наблюдения за солнечными пятнами, которые велись наблюдателями и летописцами некоторых восточных народов, рассматривавшими Солнце невооруженным глазом.
Однако в большинстве случаев, когда были замечены пятна, их неизменно приписывали телам, оказавшимся между Солнцем и Землею. Мысль о том, что на Солнце могли возникнуть пятна, считалась в те времена нелепой и преступной, она противоречила теологической философии средних веков и была принята неохотно даже тогда, когда факт этот был вполне доказан.
Честь первых наблюдений за пятнами на Солнце, согласно дошедшим до нас летописным данным, принадлежит китайцам, культурному народу глубокой древности. Первые сохранившиеся в китайских летописях записи о наблюдениях солнечных пятен относятся ко времени царствования VI, младшей династии Хань (25–221) – одного из самых блестящих периодов в китайской империи в отношении как искусств, так и военных успехов. Наблюдения китайских летописцев были собраны Ма-Туан-Лином в его энциклопедии и уже отсюда проникли в европейскую научную прессу только в 1873 г., когда был отпечатан каталог китайских наблюдений. Затем Хираяма опубликовал составленный им каталог китайских наблюдений, первое из которых относится к 188 г. Следующее наблюдение было сделано китайцами в 299 г., а затем они встречаются довольно часто.
Интересно отметить, что годы, когда пятна наблюдались, обыкновенно следуют или подряд один за другим, или с перерывами в несколько лет и даже десятков лет. Китайцы тщательно следили за пятнами, определяя их форму свойственной им символикой. Они сравнивали пятна с куриным яйцом, с уткой, персиком, сливой и пр., что указывает на значительную величину наблюдаемого пятна. Так, первое китайское наблюдение (188 г.) за пятном гласит: «Февраля 14 Солнце было красного цвета, на Солнце малое пятно, подобное птице» (Хираяма). Некоторые века нашей эры изобилуют китайскими наблюдениями за пятнами, как, например, IV, IX, XII, XIII и др.
 |
| Рис. 4. Кривая пятнобразовательного процесса по пятидневным периодам в год минимума – 1923 (по Вольферу) |
Что послужило основанием для первого китайского наблюдения за солнечными пятнами, сказать трудно. Многие думают, что в данном случае сыграли роль либо лесные пожары, либо густые слои дыма и пыли, выброшенные извержением вулкана и вызвавшие помутнение атмосферы на долгий срок. Сквозь дым лесных пожаров или вулканический пепел Солнце проглядывало тусклым медным диском без лучей, и на него легко можно было смотреть незащищенным глазом. При таких условиях легче всего можно было открыть пятна.
Впрочем, и без всякого дымового экрана, а просто при помощи закопченного стекла или слюды можно рассматривать солнечные пятна невооруженным глазом в годы максимума, когда они достигают огромных размеров.
Кроме того, можно указать и на особое положение китайцев среди прочих народностей в отношении остроты зрения. Китайцы, как известно, отличаются обостренной силою зрения сравнительно с другими нациями. Visus [Специальный медицинский термин: «способность зрительного восприятия» (лат.)] китайцев в среднем выше visus'a европейских народов.
История знает много случаев потемнения Солнца и понижения солнечного излучения, причины которых остаются не совсем ясными и ныне. Так, например, имеются описания смерти Юлия Цезаря (44 до н. э.), после которой в продолжение значительного времени Солнце оставалось бледным.
По мнению А. Гумбольдта, Luminis caligo u defectus Solis [Ослабление освещения и дефекты Солнца (лат.)], встречаемые у римских писателей в рассказах о продолжительной бледности Солнца, никоим образом не следует считать за солнечные затмения.
Следующие указания о резком помрачении солнечного лика мы находим у евангелистов в описании кончины Иисуса Христа.
 |
| Рис. 5. Кривая пятнообразовательного процесса по пятидневным периодам в год максимума – 1928 (по Вольферу) |
«От шестого же часа тьма бысть по всей Земле до часа девятого», – повествует евангелист Матфей. Евангелист Лука говорит: «И помраче Солнце». О том же рассказывает евангелист Марк. Для объяснения этого явления Евсевий приводит солнечное затмение 202-й олимпиады, о котором упоминает летописец Флегон из Траллеса. Однако Вурм разъяснил, что относимое к этой олимпиаде и во всей Малой Азии видимое затмение Солнца имело место в 29 г. н. э. Кроме того, день смерти Иисуса Христа совпадал с иудейским праздником Пасхи, 14 низана, а иудейская Пасха всегда совпадала с полнолунием, поэтому Солнце не могло быть помрачено Луною в продолжение трех часов.
Странное помрачение Солнца произошло в 137 и 360 гг.
Последнее было замечено во всех восточных провинциях Римской империи. Александр Гумбольдт полагает, что это помрачение нельзя объяснить полным солнечным затмением. В 409 г., когда Алларих стоял под Римом, Солнце также было помрачено, и звезды выступили на небосводе. По свидетельству Прокопия (Procopius) и Кедрена (Cedrenus), в 526 г. имело место странное уменьшение и потускнение солнечного света. «Солнце, – говорит Прокопий, – потеряло свой блеск, так что походило на Луну и оставалось без своего лучезарного сияния целый год. По большей части оно казалось таким, каким бывает во время затмения; свет его был не чистый и не такой, как всегда». Вместе с Зейбелем (Seibel) можно предположить, что явление это, неоднократно наблюдавшееся при землетрясениях и извержениях вулканов, зависело и в данном случае от присутствия пепла и золы в верхних слоях воздуха.
В 624–625 гг., по свидетельству армянского летописца Михаила Сирийца, «Солнце потемнело осенью в месяце Арек до лета месяца Кагота, и думали, что оно не вернется в прежнее состояние». В 536 г., во время царствования Юстиниана I (527–565), наблюдалось длительное потемнение Солнца, которое пытались впоследствии объяснить «сухими туманами» или «черным дымом». В 567 г. при Юстиниане II (565–578) наблюдалось потемнение Солнца и одновременно непрерывное северное сияние, длившееся около года. Также и в 626 г., согласно Абуль Фарагу, в течение восьми месяцев половина солнечного диска была омрачена. В хронике Шнурера (Schnurrer) упоминается о потемнении Солнца в 733 г. Наконец, в 807 г. наблюдалось солнечное пятно, принятое астрономами того времени за Меркурий. Летописцы франкских королей упоминают о восьмидневном пребывании Меркурия на солнечном диске в 807 г. Через 33 года, в 840 г., в царствование халифа аль-Мотассема (834–841), якобы наблюдали прохождение Венеры по диску Солнца в течение 91 дня. Об этом повествуют арабские астрономы. Как в первом, так и во втором случае несомненно, что на солнечном диске наблюдалось пятно (macula nigra), которое и почиталось за планету. Также и в 1096 г. 3 марта пятна на Солнце были усмотрены простым глазом.
В 1206, 1241, 1547 гг. наблюдались помрачения Солнца, которые учеными тех времен приписывались различным причинам. Очень странным кажется потемнение Солнца в течение трех дней – с 23 по 26 апреля 1547 г. Это явление приписали «сухому туману», но вряд ли причина его могла находиться в атмосфере Земли, так как звезды были видны днем. В 1645 г. Давид Фрелихнус отмечает, что видел 25 апреля Солнце, совершенно лишенное лучей. В том же году такой же феномен был отмечен одним из русских книжников: «В лето 7153 (1645) июля в 12 денъ... потемне Солнце среде дне... Солнцу сущу в полудне в светлости, ипостасно и небу сущу ясну яко ни едину облаку в небе быти... Солнце обычное свое сияние отложи и в необычай вид претворися аки бы вид дно котла медного, небу облако нашедшу на Солнце... не токмо во граде Москве, но и по всей стране». Можно предположить, что данное явление не было затмением Солнца, наблюдавшимся также в 1645 г., но лишь 11 августа.
Солнечные пятна, замечаемые в разные времена в Европе, были приписываемы прохождению планет мимо Солнца, в частности Меркурия и Венеры. Например, так думали о пятне, которое наблюдал Кеплер в 1609 г.
Наконец, в 1721 г. в Ульме было отмечено, что «1 июня в день св. Духа в пятом часу вечера почти в продолжение двух часов Солнце стояло на небе без блеска и не давало лучей, но так, что тело его вполне можно было наблюдать, как полную Луну в ночное время. Временами небо было совершенно безоблачно» (Гамбергерус).
В работе Кисслинга находим, что в годы 1721, 1724, 1731, 1783 также имели место оптические аномалии в атмосфере. Некоторые из них легкообъяснимы, причины других не ясны. Так, в феврале 1783 г. произошли сильные извержения вулканов в Исландии и землетрясения в Калабрии и на Сицилии. В течение нескольких месяцев над значительной частью Европы и Азии парили «сухие туманы», вызвавшие общее помутнение атмосферы. Ровно через 100 лет, в 1883 г., то же явление повторилось после извержения вулкана Кракатау на Яве. Вулканический пепел поднялся на высоту до 60 километров, был разнесен воздушным течением вокруг всей Земли и значительно замутил атмосферу во всем Северном полушарии, что длилось до 1886 г. Аналогичное явление, только в несколько меньшем масштабе, имело место и в 1912–1913 гг. после извержения вулкана Катман на Аляске.
Помимо этих многочисленных и чрезвычайно важных во многих отношениях указаний в старинных хрониках, анналах и летописях мы находим прекрасные описания других геофизических явлений, тесно связанных с подъемами в солнцедеятельности. Китайские наблюдения за солнечными пятнами явились прекрасным подспорьем для фиксации дат повышенной деятельности Солнца при рассмотрении летописных данных о северных сияниях. Можно сказать, что все народы, живущие в Европе, начиная с греков и кончая славянами, отдали заслуженную дань этому великолепному небесному явлению. Каталоги северных сияний были составлены в разное время Фробесом (Frobes), Шортом (Schort), Киршем (Kirch), наконец, де Мераном (Mairan). Одно из первых указаний на северные сияния находим у Никифора в «Истории церкви» (XIVв.), он описывает северное сияние, виденное в 395 г. перед смертью Феодосия Великого. Затем Исидор Севильский (ок. 570–636) в «Истории готов» указывает на то, что во время пребывания Аттилы в Италии и Галлии на небе были замечены многие знамения и весь север Аквилона был в крови и огне, из которых выходили светлые лучи в форме копий; это было в 450 г. Ценные указания имеются в Эдесской хронике, в сочинениях Григория Турского (539–593), в анналах Бертина (610–709), в «Хронике знамений и чудес» Ликостенеса (Lycosthenes, 1518–1561), у арабского астронома Аверроэса (Averroic, 1126–1198), а также в сочинениях де Мерана (1678–1771), Гершеля (1738–1822), Apaгo (Arago, 1786–1853), наконец, богатый материал дают русские летописные своды. Большой материал, по которому можно судить с известною степенью достоверности об эпохах деятельности Солнца за историческое время, был разбросан по летописям и трудам различных ученых, не будучи систематизирован в целях установления исторических дат о солнцедеятельности. Проработка данного материала принадлежит отечественному ученому Святскому. Им была составлена таблица эпох солнечных максимумов со II по XVII в. н. э. на основании собранных им исторических сведений. Из рассмотрения 49 интервалов табл. 2 видно, что, несмотря на большие отклонения от 11-летнего периода, все же чаще всего встречаются интервалы в 11–12 лет (11 раз), в 7–8 лет (12 раз), в 13–14 лет (7 раз) и реже всего интервалы в 5–6 лет (3 раза); интервал в 20 лет встречается всего один раз. Среднее арифметическое из всех 49 интервалов равно 11 годам. Из данной таблицы можно заключить, что даты, указанные Святским, действительно очень близки к датам подлинных максимумов солнцедеятельности, бывших в далеком прошлом. Поэтому ценность проработки данного вопроса несомненна.
Таблица 2.
ЭПОХИ СОЛНЕЧНЫХ МАКСИМУМОВ
| № | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | XIII | XIV | XV | XVI | XVII | XVIII | XIX | XX |
| 1 | 301 | 401 | 502 | 603 | 807 | 905 | 1005 | 1104 | 1202 | 1307 | 1402 | 1605 | 1705,5 | 1804,2 | 1905 | ||||
| 2 | 311 | 919 | 1014 | 1118 | 1520 | 1615,5 | 1718,2 | 1816,4 | 1917 | ||||||||||
| 3 | 322 | 626 | 830 | 930 | 1129 | 1325 | 1431 | 1527 | 1626,0 | 1727,5 | 1829,9 | 1928 | |||||||
| 4 | 342 | 535 | 745 | 840 | 940 | 1039 | 1137 | 1240 | 1446 | 1537 | 1639,5 | 1738,7 | 1837,2 | 1937 | |||||
| 5 | 354 | 450 | 848 | 956 | 1146 | 1353 | 1551 | 1649,0 | 1750,3 | 1848,1 | 1948 | ||||||||
| 6 | 359 | 566 | 765 | 860 | 1157 | 1365 | 1461 | 1560 | 1660,0 | 1761,5 | 1860,1 | 1958 | |||||||
| 7 | 374 | 577 | 778 | 874 | 974 | 1269 | 1372 | 1572 | 1675,0 | 1769,7 | 1870,6 | ||||||||
| 8 | 188 | 388 | 585 | 786 | 979 | 1088 | 1185 | 1276 | 1383 | 1581 | 1685,0 | 1778,4 | 1882 | ||||||
| 9 | 395 | 993 | 1096 | 1193 | 1292 | 1490 | 1588 | 1693,0 | 1788,1 | 1893 |
Одновременно с накоплением материала о солнечных пятнах возникли попытки установить периодичность пятнообразовательного процесса.
Рассматривая кривую пятнообразовательного процесса, легко видеть в ней ряд бросающихся в глаза особенностей, как, например: 1) точки максимальных напряжений отстоят одна от другой не на равные расстояния; 2) высота ординат различных максимумов различна; 3) интервалы между одинаковой высоты ординатами не равны между собой; 4) в течение нескольких максимумов высота ординат, бывает понижена по сравнению с предыдущими или последующими. Затем, бросается в глаза кажущееся отсутствие закономерности между ходом мелких волн, составляющих один период. Подобного рода картина кривой пятнообразовательного процесса уже давно побуждала исследователей к математическому анализу кривой и выяснению вопроса о том, существует ли или нет закономерность в ходе этой сложной системы волн пятнообразования.
Основываясь на изменениях в количестве солнечных пятен, еще Швабе (Schwabe) полагал, что промежуток времени между максимумами равен 10 годам. Ламон вычислил ту же величину и получил для нее значение, равное 10,43 года. Вольф период колебаний числа пятен считал равным 11,111 года со средней изменчивостью ± 2,03 года. Юнг (Joung) полагал, что истинный цикл пятнообразования колеблется в пределах 12–14 лет. Вольфер считал, что в среднем период пятнообразования равен 11,124 ± 0,030 года. Ньюкомб (Newcomb) принял его за 11,13 года. Наконец, Майкельсон (Michelson) склонялся признать период выше 11,4, но Тернер (Turner) полагал, что в настоящий момент можно говорить лишь о периоде в 11,4 года.
Шустер (Schuster) в работах 1898–1906 гг. подверг гармоническому анализу цифровой материал о пятнах за 150 лет. Согласно его исследованию, рядом с циклом в 11,125 года идет серия вторичных периодов, последовательное вступление которых и является причиной различных нарушений, наблюдаемых в основном периоде. Эти второстепенные периоды имеют величины в 4,38; 4,80; 8,36; 13,50 года. Исследуя вопрос об 11-летнем периоде за время с 1750 по 1900 г., Шустер нашел, что в первые 75 лет этот период разбивается на два: в 9,25 и 13,75 года, а во вторые 75 лет (с 1825 по 1900 г.) он равен 11,1 года.
Интересно отметить, что Тернер проделал обработку гринвичских магнитных наблюдений за период с 1841 по 1905 г., причем обнаружил, что кроме 23-летнего периода, связанного с солнечными пятнами, существует еще вторичный период в 9,26 года. Желая открыть тот же период в солнечной деятельности, Тёрнер предпринял переработку всех данных Вольфа и Вольфера, начиная с 1610 г. Не найдя периода в 9,26 года, Тёрнер установил, однако, наличие в солнцедеятельности другого периода, а именно в 13 лет. Период этот отличается тем свойством, что при небольшой интенсивности достаточно хорошо выражен.
Таким образом, пятнообразование представляет собою явление очень сложное и запутанное. Только в среднем один период равняется 11 годам. В действительности же продолжительность его достигает иногда 16 лет, а иногда лишь 7. Также весьма существенным явлением в циклическом ходе количества солнечных пятен необходимо признать то, что назревание максимума, период его и его упадок не представляют всякий раз чего-либо строго определенного, а постоянно варьируют вследствие еще неизвестных нам причин. Поэтому в деле определения и тем более предвидения какой-либо определенной точки периода следует быть чрезвычайно осмотрительным. Переломы в солнцедеятельности, знаменующие собою точки наивысшего подъема и наименьшего падения, могут быть определены лишь спустя несколько месяцев, а иногда год и более путем сличения с данными о солнцедеятельности за более или менее продолжительный срок.
 |
| Рис. 6. Средние широты Солнца (пунктирная кривая) и средние площади пятен (сплошная кривая) с 1854 по 1912 г. В начале каждого нового солнечного цикла после минимума пятна появляются в наивысших широтах, в которых они вообще могут встречаться, т.е. около ±30°. По мере увеличения количества пятен от минимума к максимуму зона максимальной частоты пятен смещается к солнечному экватору вплоть до ± 30° широты, где пятна окончательно затухают к минимуму. После наступления минимума явления повторяются в прежнем порядке (по Spoerer) |
Говоря об 11-летнем периоде в деятельности Солнца, представляется небезынтересным проследить, в какой мере за 3-летний промежуток времени действительные периоды в деятельности Солнца уклоняются от своего среднего арифметического, т. е. от 11-летнего периода. Возьмем для этой цели даты максимумов солнцедеятельности, согласно данным Вольфа, и, начиная от первого максимума каждого столетия, отсчитаем равные 11-летние промежутки времени. Это и представлено нами в приведенной ниже табл. 3.
Приняв средний цикл солнечной активности равным 11,11, как это считалось до недавнего времени, мы увидим, что в 100 лет таковой цикл повторится ровно 9 раз плюс остаток в 0,01 года. За 1000 лет остаток будет равен году. Если мы примем цикл равным 11,12 года, как это предполагает Вольфер, то и в данном случае в 100 лет мы получим избыток в +0,08 года, а за 1000 лет этот избыток сделается равным 0,8 года, т. е. величина также малозначительная. Но если мы примем для одного солнечного цикла промежуток времени в 11,4 года, как это считает Тернер, разница будет уже очень ощутимой: за одно столетие уклонение от круглой цифры в 100 будет равно 2,6 года. Как бы там ни было, представляется интересным факт замечательного совпадения ряда лет – первых максимумов столетия, отстоящих один от другого на 100, 200 и даже 1000 лет. 1905–1805–1705–1605–1305–1202–1104–1005–905–807–603–502–401–301. Здесь цифры, стоящие на месте единицы за 1307–1905 гг. в пределах от 5 до 7, за 603–1104 гг. – от 3 до 7; за 301–502 гг. – от 1 до 2. Можно отметить и другие совпадения тех же цифр через промежуток времени, равный 1000 лет, а именно: 1905–905; 1603–603; 1401–401. Во всяком случае следует думать, что эта закономерность не случайна, а вызвана свойствами самого цикла солнцедеятельности, т. е. его кратностью по отношению к 100, 1000 и т. д.
Таблица 3.
ОТКЛОНЕНИЯ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ДАТ МАКСИМУМОВ
СОЛНЦЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОТ ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАТ
| № п/п | XVII в. | XVIII в. | XIX в. | ||||||
| Астро- номиче- ские даты | Эмпири- ческие даты | Разница | Астро- номиче- ские даты | Эмпири- ческие даты | Разница | Астро- номиче- ские даты | Эмпири- ческие даты | Разница | |
| 1 | 1605 | 1604 | +1 | 1705 | 1705 | 0 | 1804 | 1804 | 0 |
| 2 | 1615 | 1615 | 0 | 1718 | 1716 | +2 | 1816 | 1815 | +1 |
| 3 | 1626 | 1626 | 0 | 1727 | 1727 | 0 | 1830 | 1826 | +3 |
| 4 | 1639 | 1637 | +2 | 1738 | 1738 | 0 | 1837 | 1837 | 0 |
| 5 | 1649 | 1648 | +1 | 1750 | 1749 | +1 | 1848 | 1848 | 0 |
| 6 | 1660 | 1659 | +1 | 1761 | 1760 | +1 | 1860 | 1859 | +1 |
| 7 | 1675 | 1670 | +5 | 1769 | 1771 | -2 | 1870 | 1870 | 0 |
| 8 | 1685 | 1681 | +4 | 1778 | 1782 | -4 | 1883 | 1881 | +2 |
| 9 | 1693 | 1692 | +1 | 1787 | 1793 | -6 | 1893 | 1892 | +1 |
| Среднее | +1,6 | -0,8 | +0,8 | ||||||
Помимо попыток открыть эти малые циклы солнцедеятельности были сделаны изыскания с целью определить, нет ли в солнцедеятельности и больших периодов.
Еще де Меран в 1746 г. указал на возможное существование больших периодов в солнцедеятельности. Позже ту же мысль разделял Лумис (Loomis). Вольф пытался отыскать таковой период, определяя его в 55,5 года. Юнг предположил, что существует колебание в 60 лет, присоединяющееся к основному колебанию в 11 лет. Ганский определил таковое в 72 года. Н. Локьер (Lockyer) нашел в солнцедеятельности период в 35 лет, а Шустер вычислил при помощи метода периодограмм циклы трети века, равные 33,375 года. К установлению 33-летнего периода в деятельности Солнца пришел и Лицнар (Liznar). Наконец, Тернер нашел возможным заключить о существовании долгого периода в 266 лет. По мнению этого ученого, каждые 266 лет имеет место большой максимум (максимум максиморум) деятельности Солнца.
Вольф в 1889 г. на основании данных китайских и средневековых летописей выделил несколько дат, которые могли быть датами больших максимумов в солнцедеятельности. Это были годы: 372, 840, 1078, 1133 и 1372. Основываясь на годах 372 и 1372, в которые, согласно его предположению, имела место особенно сильная напряженность деятельности Солнца, Вольф вычислил ряд больших периодов, вмещающих в себя 11-летний период, а именно периоды в 83,33 и 66,67 года. Затем Вольф приложил эти цифры последовательно к 372 г., получив таким образом таблицу дат больших максимумов солнечной деятельности. Периоды, полученные Вольфом, были сопоставлены с датами, полученными путем извлечения сведений из китайских, русских, западноевропейских и армянских источников. В результате получилась чрезвычайно интересная таблица, которую я и привожу полностью из работы Святского (табл. 4).
Таблица 4.
| I период Вольфа (83,33 г.) | II период Вольфа (66,67 г.) | ||||
| по вычислениям Вольфа | по данным Святского | Разница | по вычислениям Вольфа | по данным Святского | Разница |
| 372 | 374 | +2 | 372 | 374 | +2 |
| 455 | 450 | -5 | 439 | - | - |
| 539 | 535 | -4 | 505 | 502 | -3 |
| 622 | 626 | +4 | 572 | 577 | +5 |
| 705 | - | - | 639 | - | - |
| 789 | 786 | -3 | 705 | - | - |
| 872 | 874 | +2 | 772 | 778 | +6 |
| 955 | 956 | +1 | 839 | 840 | +1 |
| 1039 | 1039 | 0 | 905 | 905 | 0 |
| 1122 | 1118 | -4 | 972 | 974 | +2 |
| 1205 | 1202 | -3 | 1039 | 1039 | 0 |
| 1289 | 1292 | +3 | 1105 | 1104 | -1 |
| 1372 | 1372 | 0 | 1172 | - | - |
| 1455 | - | - | 1239 | 1240 | +1 |
| 1539 | 1537 | -2 | 1305 | 1307 | +2 |
| 1622 | 1622 | 0 | 1372 | 1372 | 0 |
| 1705 | 1705 | 0 | 1439 | 1446 | +7 |
| 1789 | 1788 | -1 | 1505 | - | - |
| 1872 | 1870 | -2 | 1572 | 1572 | 0 |
| 1955 | 1639 | 1639 | 0 | ||
| 2039 | 1705 | 1705 | 0 | ||
| 1772 | 1769 | -3 | |||
| 1839 | 1837 | -2 | |||
| 1839 | 1837 | -2 | |||
| 1905 | 1905 | 0 | |||
| 1972 | |||||
| 2039 | |||||
В сопроводительном тексте к своим периодам Вольф в 1889 г. писал, что «оба ряда все еще могут одинаково претендовать на верность, и потому с окончательным решением вопроса приходится подождать, к счастью, уже не долго: ибо, при верности первого ряда, после 1872 г. может последовать максимум только в 1955 г., а по второму ряду – уже в 1905 г. Таким образом, уже при следующем максимуме малого периода, в 1894–1895 гг., и во всяком случае не позже первого десятилетия XX в. один из конкурирующих рядов должен отпасть. Если бы, – пишет далее Вольф, – мне пришлось теперь решать этот вопрос, то я безусловно дал бы предпочтение первому ряду, так как мне кажется, что по характеру максимума 1893 г., напоминающего 1804–1805 гг., можно скорее ожидать, что соответственно 1816 и 1829–1830 гг. ему последует еще несколько малых максимумов, а не второй следующий максимум (т. е. 1905 г.) достигнет значительной величины, требуемой вторым рядом».
В самом деле, максимумы 1893 и 1905–1907 гг. были небольшими максимумами. Максимум 1917 г. также не достиг максимума 1870 г. Следовательно, все говорит за то, что максимум максиморум повторяется по первому эмпирическому ряду, т. е. через 83,33 года, и, таким образом, мы можем ожидать большого подъема в солнцедеятельности лишь к 1955 г. Но следует повторить, что данный вопрос не разрешается столь просто и что необходимо счастливое сочетание большого исторического времени наблюдения и усилий человеческой мысли, чтобы приблизиться к верному решению проблемы больших циклов в солнцедеятельности.
Говоря о колебаниях в деятельности Солнца, нельзя обойти молчанием вопроса, поднятого еще Шперером (Spoerer) в 1890 г. и недавно рассмотренного Маундер (Maunder), о якобы имевшем место в период с 1645 по 1715 г. значительном уменьшении солнечной деятельности. Заключение об этом аномальном явлении в деятельности Солнца Маундер основывает на том, что за указанный период число наблюденных солнечных пятен понизилось до минимума. Так, например, с 1661 по 1671 г. совершенно нет заметок о пятнах, а начиная с 1671 до 1715 г. пятна отмечаются наблюдателями лишь в немногих отдельных случаях. Сличение данных, составленных рядом астрономов, приводит Маундер к тому убеждению, что наблюдения велись тщательно и пропусков в них было немного. С другой стороны, за вторую половину XVII в. число зафиксированных северных сияний также невелико. Однако, несмотря на всю правдоподобность, заключения Маундер не подтверждаются со стороны общего хода солнцедеятельности за весь последующий и отчасти предыдущий ее период. Не объясняется ли это явление именно недостаточным количеством сделанных наблюдений?
Но что такое пятна? Разгадан ли в наши дни их «великий секрет», по выражению Галилея? Может быть, еще нет, но и того, что нам стало известно о пятнах и их природе за последние годы, достаточно, чтобы составить себе наглядное представление о великом значении пятен для жизни Земли.
Над разгадкой природы солнечных пятен работало немало выдающихся умов. Первые наблюдатели полагали, что пятна – это планеты, ближайшие спутники Солнца, проходящие близ его поверхности. Это ложное предположение было разрушено Галилеем, который в свою очередь думал, что пятна – облака, плавающие в солнечной атмосфере. Дергейм (Derham) считал, что эти облака происходят от извержения солнечных вулканов. Лаланд (Lalande) принимал их за вершины солнечных гор, выступающие над светящейся поверхностью, за острова среди океана огня, лежащие на центральном твердом ядре Солнца. В. Гершель полагал, что пятна – временные отверстия в облаках, через которые мы можем видеть темную поверхность центрального ядра-шара. Его сын Д. Гершель дал пятнам следующее объяснение: пятна суть громадные вихри, нисходящие через фотосферу и облака.
В свое время начиная с 1868 г. между собою соперничали две теории солнечных пятен: теория аббата Секки (Secchi) и теория Фая (Faye). Секки в основу своей теории положил гипотезу о солнечных извержениях. Он предполагал, что солнечные извержения непрерывно прорываются через фотосферу и увлекают из нижележащих областей металлические пары. Эти пары, значительно охладившись, падают на фотосферу и образуют в ней углубления, наполненные веществами, менее светящимися и поглощающими свет. Это место и представляется нам в виде пятен. Против теории Секки были сделаны многочисленные возражения, но все же она доминировала долгое время, дополнялась и исправлялась многими астрономами.
Таблица 5.
МИНИМУМЫ И МАКСИМУМЫ ПЯТНООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
ПРОЦЕССА ЭПОХИ И ВЕЛИЧИНЫ ПЕРИОДОВ
| Минимумы | Максимумы | ||||
| годы | степень достоверности | период | годы | степень достоверности | период |
| 1610,8 | 5 | 8,2 | 1615,5 | 2 | 10,5 |
| 1619,0 | 1 | 15,0 | 1626,0 | 5 | 13,5 |
| 1634,0 | 2 | 11,0 | 1639,5 | 2 | 9,5 |
| 1645,0 | 5 | 10,0 | 1649,0 | 1 | 11,0 |
| 1655,0 | 1 | 11,0 | 1660,0 | 1 | 15,0 |
| 1666,0 | 2 | 13,5 | 1675,0 | 2 | 10,0 |
| 1679,5 | 2 | 10,0 | 1685,0 | 2 | 8,0 |
| 1689,5 | 2 | 8,5 | 1693,0 | 1 | 12,5 |
| 1698,0 | 1 | 14,0 | 1705,5 | 4 | 12,7 |
| 1712,0 | 3 | 11,5 | 1718,2 | 6 | 9,3 |
| 1723,5 | 2 | 10,5 | 1727,5 | 4 | 11,2 |
| 1734,0 | 2 | 11,0 | 1738,7 | 2 | 11,6 |
| 1745,0 | 2 | 10,2 | 1750,3 | 7 | 11,2 |
| 1755,2 | 9 | 11,3 | 1761,5 | 7 | 8,2 |
| 1766,5 | 5 | 9,0 | 1769,7 | 8 | 8,7 |
| 1775,5 | 7 | 9,2 | 1778,4 | 5 | 9,7 |
| 1784,7 | 4 | 13,6 | 1788,1 | 4 | 17,1 |
| 1798,3 | 9 | 12,3 | 1805,2 | 5 | 11,2 |
| 1810,6 | 8 | 12,7 | 1816,4 | 8 | 13,5 |
| 1823,3 | 10 | 10,6 | 1829,9 | 10 | 7,3 |
| 1833,9 | 10 | 9,6 | 1837,2 | 10 | 10,9 |
| 1843,5 | 10 | 12,5 | 1848,1 | 10 | 12,0 |
| 1856,0 | 10 | 11,2 | 1860,1 | 10 | 10,5 |
| 1867,2 | 10 | 11,7 | 1870,6 | 10 | 13,3 |
| 1878,9 | 10 | 10,7 | 1883,9 | 10 | 10,2 |
| 1889,6 | 10 | 12,1 | 1894,1 | 10 | 12,3 |
| 1901,7 | 10 | 11,9 | 1906,4 | 10 | 11,2 |
| 1913,6 | 10 | 1917,6 | 10 | ||
Таблица 6.
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ЧИСЛО СОЛНЕЧНЫХ ПЯТЕН
(ИНДЕКС ВОЛЬФА-ВОЛЬФЕРА) С 1749 ПО 1927 Г.
| Год | Относитель- ное число пятен | Год | Относитель- ное число пятен | Год | Относитель- ное число пятен |
| 1749 | 80,9 | 1809 | 2,5 | 1869 | 73,9 |
| 1750 | 83,4 | 1810 | 0,0 | 1870 | 139,1 |
| 1750 | 83,4 | 1811 | 1,4 | 1871 | 111,2 |
| 1752 | 47,8 | 1812 | 5,0 | 1872 | 101,7 |
| 1753 | 30,7 | 1813 | 12,2 | 1873 | 66,3 |
| 1754 | 12,2 | 1814 | 13,9 | 1874 | 44,7 |
| 1755 | 9,6 | 1815 | 35,4 | 1875 | 17,1 |
| 1756 | 10,2 | 1816 | 45,8 | 1876 | 11,3 |
| 1757 | 32,4 | 1817 | 41,1 | 1877 | 12,3 |
| 1758 | 47,6 | 1818 | 30,4 | 1878 | 3,4 |
| 1759 | 54,0 | 1819 | 23,9 | 1879 | 6,0 |
| 1760 | 62,9 | 1820 | 15,7 | 1880 | 32,3 |
| 1761 | 85,9 | 1821 | 6,6 | 1881 | 54,3 |
| 1762 | 61,2 | 1822 | 4,0 | 1882 | 59,7 |
| 1763 | 45,1 | 1823 | 1,8 | 1883 | 63,7 |
| 1764 | 36,4 | 1824 | 8,5 | 1884 | 63,5 |
| 1765 | 20,9 | 1825 | 16,6 | 1885 | 52,2 |
| 1766 | 11,4 | 1826 | 36,3 | 1886 | 25,4 |
| 1767 | 37,8 | 1827 | 49,7 | 1887 | 13,1 |
| 1768 | 69,8 | 1828 | 62,5 | 1888 | 6,8 |
| 1769 | 106,1 | 1829 | 67,0 | 1889 | 6,3 |
| 1770 | 100,8 | 1830 | 71,0 | 1890 | 7,1 |
| 1771 | 81,6 | 1831 | 47,8 | 1891 | 35,6 |
| 1772 | 66,5 | 1832 | 27,5 | 1892 | 73,0 |
| 1773 | 34,8 | 1833 | 8,5 | 1893 | 84,9 |
| 1774 | 30,6 | 1834 | 13,2 | 1894 | 78,0 |
| 1775 | 7,0 | 1835 | 56,9 | 1895 | 64,0 |
| 1776 | 19,8 | 1836 | 121,5 | 1896 | 41,8 |
| 1777 | 92,5 | 1837 | 138,3 | 1897 | 26,2 |
| 1778 | 154,4 | 1838 | 103,2 | 1898 | 26,7 |
| 1779 | 125,9 | 1839 | 85,8 | 1899 | 12,1 |
| 1780 | 84,8 | 1840 | 63,2 | 1900 | 9,5 |
| 1781 | 68,1 | 1841 | 36,8 | 1901 | 2,7 |
| 1782 | 38,5 | 1842 | 24,2 | 1902 | 5,0 |
| 1783 | 22,8 | 1843 | 10,7 | 1903 | 24,4 |
| 1784 | 10,2 | 1844 | 15,0 | 1904 | 42,0 |
| 1785 | 24,1 | 1845 | 40,1 | 1905 | 63,5 |
| 1786 | 82,9 | 1846 | 61,5 | 1906 | 53,8 |
| 1787 | 132,0 | 1847 | 98,5 | 1907 | 62,0 |
| 1788 | 130,9 | 1848 | 124,3 | 1908 | 48,5 |
| 1789 | 117,1 | 1849 | 95,9 | 1909 | 43,9 |
| 1790 | 89,9 | 1850 | 66,5 | 1910 | 18,6 |
| 1791 | 66,6 | 1851 | 64,5 | 1911 | 5,7 |
| 1792 | 60,0 | 1852 | 54,2 | 1912 | 3,6 |
| 1793 | 46,9 | 1853 | 39,0 | 1913 | 1,4 |
| 1794 | 41,0 | 1854 | 20,6 | 1914 | 9,6 |
| 1795 | 21,3 | 1855 | 6,7 | 1915 | 47,4 |
| 1796 | 16,0 | 1856 | 4,3 | 1916 | 57,1 |
| 1797 | 6,4 | 1857 | 22,8 | 1917 | 103,9 |
| 1798 | 4,1 | 1858 | 54,8 | 1918 | 80,6 |
| 1799 | 6,8 | 1859 | 93,8 | 1919 | 63,6 |
| 1800 | 14,5 | 1860 | 95,7 | 1920 | 37,6 |
| 1801 | 34,0 | 1861 | 77,2 | 1921 | 26,1 |
| 1802 | 45,0 | 1862 | 59,1 | 1922 | 14,2 |
| 1803 | 43,1 | 1863 | 44,0 | 1923 | 5,8 |
| 1804 | 47,5 | 1864 | 47,0 | 1924 | 16,7 |
| 1805 | 42,2 | 1865 | 30,5 | 1925 | 44,3 |
| 1806 | 28,1 | 1866 | 16,3 | 1926 | 63,9 |
| 1807 | 10,1 | 1867 | 7,3 | 1927 | 69,0 |
| 1808 | 8,1 | 1868 | 37,3 |
Самой замечательной из всех предложенных в истекшем столетии теорий следует считать теорию Фая, который основой пятнообразования считал солнечные бури, а самую структуру пятен – вихреобразной. Эта исходная точка зрения сохраняет свою силу до последнего времени. Теория Фая заключается в том, что вследствие относительного движения смежных частей фотосферы образуются круговороты, которые превращаются в циклоны и вихри, подобные тем водоворотам, которые происходят, когда быстрое течение встречает на пути препятствия. Такого рода водовороты имеют вид воронок, в которых плавающие вещества и воздух увлекаются в глубину. Подобным же образом, как тогда предполагал Фай, происходят земные циклоны и торнадо. Они начинаются сверху и спускаются в атмосферу все ниже и ниже, пока вершина вихря не достигает Земли. Подобного рода, но только колоссальные вихри и составляют, по мнению Фая, сущность солнечного пятна. Одним из возражений, направленных против теории Фая, было следующее: если пятна суть вихри, то они должны обнаружить вихревое движение. Кроме того, все пятна к северу от экватора должны вращаться в одном и том же направлении, против часовой стрелки, если смотреть с Земли; пятна же южного полушария Солнца должны вращаться в противоположном направлении, подобно земным циклонам. Исследуя этот вопрос, астрономы заметили, что лишь незначительный процент пятен обнаруживает следы вихревого движения и часто различные члены одной и той же группы пятен, даже различные части одного и того же пятна, вращаются в противоположных направлениях. В то время эти наблюдения могли лишь поколебать теорию Фая, а между тем они именно и являются лучшим доказательством правоты его принципиального положения о вихревой структуре пятна. На помощь теории Фая пришли электрические теории пятен.
Горячими защитниками вихревой теории явились Рейе (Reye) и Хельм (Halm). Однако для окончательного признания ее не хватало ясности в некоторых деталях. Лишь после замечательной работы американского ученого Хэйла (Hale) «Солнечные вихри» («Solar vortices»), вышедшей в 1908 г., большинство астрономов вернулось к вихревой теории. Наконец, в следующем году Хэйл получил возможность на основании многочисленных исследований прийти к заключению, что солнечные пятна «суть, по-видимому, электрические вихри». Блестящие работы Хэйла положили основание целому ряду замечательных изысканий о природе пятен, предпринятых в солнечной обсерватории на горе Вильсон в Калифорнии, а равно и в других обсерваториях, занимающихся изучением Солнца. Теория Хэйла нашла себе среди астрономов много горячих сторонников, тем более что она неизменно получала все новые и новые подтверждения.
Таким образом, солнечные пятна следует рассматривать как вихри, подобные смерчам на море, с воронкообразными расширениями на вершине. Движение вещества в таких вихрях совершается снизу вверх, образуя восходящий вихрь, подобно всем земным атмосферным вихрям (по Мону, Mohn). Скорость движения вещества достигает огромных величин, и несущиеся в вихре газы охлаждаются вследствие их быстрого расширения по мере приближения к вершине вихря. Достигнув вершины вихря, охлажденные газы двигаются по спиралям быстро увеличивающихся радиусов. То, что мы видим в форме пятна, есть лишь вершина, конец вихря, отголосок грандиозных процессов, протекающих в областях, недоступных нашему исследованию. Несомненно, существует причина, заставляющая газы из глубинных недр Солнца течь наверх. Там, в нижних ярусах солнечного шара, скрывается космическая сила, приводящая в движение весь этот сложный и громадный смерч, носящий скромное название солнечного пятна.
Самая пылкая фантазия человека не в силах представить себе всей величайшей мощности солнечного урагана. Перед этим ураганом наши бури, сметающие деревья и дома, – неощутимые дуновения зефира. В солнечном урагане, выражающемся появлением одного лишь пятна, могли бы, как пылинки, закружиться и бесследно исчезнуть десятки земных шаров.
Причина, вызывающая вихревые движения фотосферной материи, до сих пор не может считаться твердо установленной. В этом направлении имеются пока лишь предположения более или менее обоснованные. Быть может, ближайшею причиною следует считать сильное нагревание вещества на глубине? Тогда, становясь более легкой, как воздух в дымовой трубе, солнечная материя поднимается вверх. По пути вследствие поднятия газы остывают и выходят на поверхность более холодными, хотя первоначально они были нагреты до огромной температуры. Из этого следует, что в пределах нижнего яруса, где происходит зарождение явления, должна господствовать очень высокая температура.
Действительно, в то время как вблизи поверхности Солнца температура не превышает 6000°, в центральных слоях она доходит приблизительно до 40 000 000°. По расчетам Эмдена (Emden), центральная температура Солнца равна 31 500 000°. Рёссель (Rossell) недавно показал, что большинство звезд имеет в центре температуру, очень близкую к 32 000 000°. Причина такого нагревания в нижних слоях Солнца остается пока что неразрешенной загадкой. Эта загадка усложняется другой, если мы примем во внимание, что пятна появляются в определенных частях солнечной поверхности и лишь в определенные годы. 2 [Солнце – центральное тело Солнечной системы, ближайшая к Земле звезда, согласно современным представлениям, раскаленный газовый шар с температурой в центре 15 106 градусов Кельвина. Плотность примерно 105 кг/м3. Общая мощность излучаемой им в пространство энергии составляет примерно 4 105Вт, что обеспечивает значение солнечной постоянной на расстоянии среднего удаления Земли от Солнца 1,34 кВт/м2. Источником энергии Солнца, как считают, служат термоядерные реакции, происходящие в центральной зоне Солнца и преобразующие легкие ядра в более тяжелые. Предполагается, что в результате одного из подобных циклов реакций из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия, при этом выделяется энергия, соответствующая уменьшению массы продукта реакции на 0,7%, что составляет 25 МэВ на один атом гелия. Перенос энергии из внутренних слоев Солнца наружу в основном происходит путем поглощения электромагнитного излучения, приходящего снизу, вышележащими слоями (фотоионизация внутренних оболочек атомов) и переизлучения его с постепенным увеличением длины волны излучения по мере понижения температуры слоев при удалении их от центра. Напряженность общего магнитного поля Солнца невелика и достигает примерно 80 А/м, изменяясь со временем. Магнитные поля, связанные с солнечной активностью, могут достигать в солнечных пятнах напряженности 100 кА/м.]
Уже в 1892 г. Юнг, спектроскопически исследуя излучение солнечных пятен, открыл замечательное явление, а именно: многие спектральные линии солнечных пятен оказались двойными, тогда как спектр остальной солнечной поверхности ничем особенным не отличался. Однако верного толкования данного явления Юнг не дал. Прошло три года, и голландский исследователь Зееман (Zeeman) показал, что спектральные линии в магнитном поле претерпевают раздвоение, т. е. вместо одной спектральной линии получаются две. Это открытие, предугаданное еще великим Фарадеем (Faraday, 1791 – 1867), сделал Зееман, изучая спектр натриевого пламени, помещенного в сильное магнитное поле. Вместо одной желтой линии их делается две или три, смотря по тому, наблюдаем ли мы спектр пламени вдоль по магнитному полю или перпендикулярно к нему. Лоренц (Lorentz) объяснил явление Зеемана сильным осложнением в движении электронов внутри атома под влиянием магнитного поля; вместо колебаний по прямой линии электрон описывает звездообразную фигуру, что и изменяет соответственным образом спектральные линии. Следствия, выведенные Лоренцем из его теории, были блестяще подтверждены в дальнейших опытах Зеемана.
В 1908 г. Хэйл доказал, что причина раздвоения спектральных линий в солнечных пятнах – магнетизм. Оказалось, что пятна представляют собою колоссальные магниты. Когда один из полюсов, южный или северный, такового магнита обращен к нам, тогда другой находится где-либо в недрах Солнца. Эти пятна Хэйл называет униполярными (a). Затем следуют биполярные пятна (b), оба полюса которых мы можем наблюдать, и, наконец, мультиполярные пятна, состоящие из группы обращенных к нам полюсов (?). Около 60% всех солнечных пятен имеют на поверхности Солнца два полюса – северный и южный. Так, из 970 пятен, зарегистрированных с 1915 по 1917 г., большая половина пятен оказалась с противоположной полярностью; за ними следуют пятна с однородной полярностью (32–35%), и затем многополюсные пятна (1–2%). Эти биполярные пятна должны быть соединены друг с другом: их жерла, уходящие в глубь Солнца, должны там где-нибудь встретиться, образуя как бы одну исполинскую изогнутую трубу.
Наконец, есть еще один тип пятен. Это «невидимые солнечные пятна» («invisible Sun spots»). Они представляют собою также очень значительный интерес, так как, по-видимому, обладают способностью оказывать известное воздействие на Землю при прохождении плоскости центрального солнечного меридиана. Под «невидимыми пятнами», как это поясняет Хэйл, следует разуметь участки Солнца, где еще нет пятен, но где оно должно будет скоро возникнуть. Это места зарождения или нового образования солнечного пятна, которое еще не проявилось для глаза, но которое может быть учтено по ряду сопутствующих ему на поверхности Солнца явлений и получено в определенных формах на спектрогелиограммах.
Насколько важным делом оказалось изучение магнетизма пятен, явствует хотя бы из интересных работ Никольсона, опубликованных в 1926 г. Он пришел к выводу, что солнечные пятна, вызывающие магнитные бури на Земле, в большинстве случаев относятся к типу многополярных групп (? и ??), даже в тех случаях, когда на Солнце наблюдались большие пятна, а магнитной бури на Земле не было. Оказывалось, что пятна относились либо к однополярным, либо к двуполярным с правильным расположением магнитной полярности.
Магнитная сила солнечных пятен очень велика, в среднем в 2000 раз больше силы земного магнетизма. Эта сила быстро возрастает с глубиной, и на основании некоторых соображений можно допустить, что ее максимум лежит на глубине 2000–3000 километров над поверхностью фотосферы.
После того как были открыты магнитные свойства пятен, ученые определили и вычислили магнитную силу самого Солнца, исследуя вид линий спектра в различных частях солнечной поверхности, лежащей вне пятен. Оказалось, что сила солнечного магнетизма всего в 40 раз больше магнитной силы Земли и в 50 раз слабее магнетизма пятен. Магнетизм пятна, хотя и большой по величине, действует лишь в пятне и близ него, между тем как магнитная сила Солнца распространена по всей огромной поверхности светила. Как и на Земле, полюсы солнечного магнита расположены близ полюсов вращения.
Какие же явления в веществе солнечного пятна обусловливают возникновение магнитного поля? По всему вероятию, главную роль здесь играют вихревое движение газообразной материи, потоки электрических частиц – электронов. Быстрое вихревое движение заряженных электричеством частиц вызывает появление конвекционных электрических токов. Как известно, конвекционный электрический ток возникает всегда, когда электричество, находясь относительно проводника в покое, движется вместе с этим проводником относительно других тел. Конвекционный ток сопровождается кондукционными токами в соседних проводниках, эти последние токи могут возникнуть даже и в том случае, если конвекционный ток постоянен по величине и по направлению. В то же время мы знаем, что при постоянном гальваническом токе в соседних проводниках никаких токов не возникает.
Несмотря на это различие между конвекционным током и током гальваническим, оба этих тока образуют вокруг себя магнитное поле, величина и направление напряжения которого определяются одним и тем же законом Био и Савара. Впервые магнитное действие электрической конвекции было обнаружено Роуландом (Rowland) в 1876 г.
Однако, по мнению Аббота (Abbot), электризация вихря пятна может возникнуть благодаря трению частиц разнородных веществ, несущихся в вихре, словно в гигантской гидроэлектрической машине Армстронга. Это заключение Аббот делает из того предположения, что в центральной части вихря благодаря сравнительно невысокой температуре (до 3500° С) следует ожидать образования жидких и даже, пожалуй, твердых частиц.
Остается указать еще на одно замечательное явление в распределении полярности пятен во времени. Исследования Хэйла над распределением магнитных сил в солнечных пятнах показали, что в группах из двух пятен магнитные полюсы распределяются в них следующим образом: в течение одного и того же 11-летнего цикла, начинающегося с очередного минимума, в одном и том же полушарии Солнца один и тот же полюс (например, северный) всегда (во всех группах) находится в пятне, идущем впереди, а другой – в идущем позади. В то же время в другом полушарии впереди идет пятно с другим (южным) полюсом. Группа пятен, таким образом, представляет как бы два подковообразных магнита, находящихся во внутренних частях Солнца, с концами, выходящими наружу. В единичных пятнах другой полюс, по изысканиям Хэйла, не обнаруживается видимым образом; и такие места Хэйл и называет «невидимыми пятнами», о которых мы говорили выше.
В эпоху минимума происходит смена полярности групп. Если до минимума впереди в пятнах был северный полюс, то после минимума в новом цикле будет южный. Следовательно, в этом отношении периодом солнечной деятельности правильно было бы считать не 11 лет, а 22 года. Смена эта происходит резко, и солнечная деятельность в эпоху минимума переживает резкий перелом. В отличие от 11-летнего количественного периода солнечных пятен этот 22-летний период можно было бы назвать «магнитным периодом солнечных пятен».
Периодическое действие Солнца на Землю приписывалось обычно пятнам, но оно может происходить и от солнечной атмосферы, состояние которой подвержено тем же периодам. Поэтому изучение всех слоев этой атмосферы представляет величайший интерес.
Солнечная атмосфера первоначально была видима лишь во время полных солнечных затмений по наружному краю Солнца. На фоне потемневшего неба вокруг черного диска Луны отчетливо вырисовывается светящееся кольцо. Это и есть атмосфера Солнца. Около диска Луны видна узкая и блестящая хромосфера розового цвета (от греческого crvma – цвет), на которой поднимаются розовые протуберанцы. Далее Солнце окаймляется короной, широкой, но бледной полосой, в которой можно иногда рассмотреть пучки направленных лучей. Ниже хромосферы лежит фотосфера (светящийся слой) – яркая поверхность Солнца, излучающая тепло и свет. Фотосфера во время затмений не видна, что и позволило впервые изучать менее яркие хромосферу и корону лишь при полных солнечных затмениях. В обычное время светлое кольцо хромосферы теряется в ярком освещении неба. Чтобы уничтожить действие этого маскирующего света, Локьер в 1868 г. прибегнул к спектроскопу, предположив, что солнечная атмосфера газообразна. Догадка Локьера имела громадные последствия для всего развития гелиофизики.
В 1889 г. Хэйл построил первый спектрогелиограф. Вскоре, в 1892 г., независимо от него Деляндр (Deslandres) описал такой же прибор. Изобретение спектрогелиографа позволило углубить и расширить наше знание солнечной атмосферы и отдельно изучить ее слои и явления, имеющие в ней место, и притом изучить в таких подробностях, как если бы само Солнце было перенесено в нашу земную лабораторию и мы, подобно хирургам, вооружась скальпелем, начали снимать с Солнца постепенно покрывающие его оболочки. К сожалению, я здесь не могу останавливаться на подробном изложении всех блестящих завоеваний в этой области, сделанных американскими и европейскими учеными. Я принужден буду ограничиться лишь перечнем основных явлений, знание которых необходимо для понимания ряда земных процессов, зависящих от Солнца и его могучих феноменов.
Среди этих феноменов первое место занимают солнечные пятна и протуберанцы. Затем следуют факелы, флоккулы (flocculus), волокна (filaments), чётки (alignemets), гранулы (granuls), корона.
Хотя римлянам и китайским летописцам и принадлежит честь первых наблюдений солнечных пятен, однако следует сказать, что и русские летописцы по тщательности своих наблюдений за явлениями природы не уступают западным и дальневосточным соседям. Богатейший и разнообразнейший материал о небесных и земных явлениях природы мы находим в русских летописях. Русским летописцам принадлежит не меньшая часть, чем китайским: автор Лаврентьевской летописи первый наблюдал и описал картину солнечных протуберанцев, виденных им во время солнечного затмения 1 мая 1185 г., под именем «угля жаров», исходивших из затмившегося Солнца.
Наконец, существование протуберанцев на Солнце было обнаружено шведским астрономом Вассениусом (Vassenius) в 1733 г. во время полного солнечного затмения. Он наблюдал три или четыре малых розоватых облачка, совершенно отделенных от лунного края и как бы плавающих в «лунной атмосфере». Это описание, как видим, значительно уступает смелому и образному описанию протуберанцев, данному русским летописцем. В то время как солнечная корона была прекрасно описана Плутархом (I в.), Филостратом (III в.), древние летописцы не дали ни одного указания на существование того, что мы теперь называем выступами или протуберанцами. На этом основании в свое время была даже высказана мысль, что протуберанцы представляют собою новую черту в истории Солнца. Наблюдение автора Лаврентьевской летописи дает основания для опровержения этого взгляда, правда уже давно отвергнутого.
Во время полного солнечного затмения в июле 1842 г. протуберанцы привлекли всеобщее внимание. Начались оживленные споры об их природе: одни думали, что это горы на Солнце, другие считали их языками солнечного пламени, третьи – солнечными облаками. Только после применения в 1860 г. фотографии (Секки, де ля Рю) ученые высказали относительно верные суждения о протуберанцах. Через восемь лет после этого Локьер и Жансен одновременно и независимо один от другого открыли способ наблюдать спектральные линии протуберанцев при полном солнечном свете, и, наконец, Гёггинс (Huggens) в 1869 г. показал, что с помощью спектроскопа можно видеть и внешнюю фигуру протуберанцев. С тех пор накопился богатый статистический материал исследований об этих солнечных явлениях, играющих одну из важных ролей в жизнедеятельности Солнца.
Протуберанцы представляют собою колоссальные извержения разреженной материи. Под действием некоторой силы эти извержения выбрасываются на громадную высоту, достигающую иногда нескольких сотен тысяч километров. Так, например, Фени (Fenyi) 15 июля 1895 г. наблюдал протуберанец высотою 500 000 километров, Ланглей (Langley) видел 7 октября 1880 г. то же явление, достигшее 560 000 километров, т. е. почти равное радиусу Солнца (690 000 километров), 29 мая 1919 г. протуберанец, наблюдаемый Моссом (Moss) в Кембридже, достиг высоты 760 000 километров. 15 июля того же года Эвершед (Eversched) в обсерватории в Кодаиканале, в Индии, наблюдал также огромный протуберанец, который в течение 1 часа 26 минут поднялся с высоты 200 000 до 720 000 километров. 8 октября 1920 г. Петти (Pettit) в Йоркской обсерватории наблюдал протуберанец, достигший грандиозной высоты – 831 000 километров. Если бы земной шар попал в такой огненный поток, то мгновенно на его поверхности все погибло бы в пламени, а океаны и моря вскипели бы, как капля воды, упавшая на раскаленный металл.
 |
| Рис. 7. Солнечный протуберанец высотою 235 000 км. Снимок сделан 7 июля 1917 г. в обсерватории Mount Wilson. Белый диск – сравнительные размеры Земли |
Протуберанцы принято разделять на две различные группы. Во-первых, протуберанцы бурные, которые собственно и являются извержениями, во-вторых, протуберанцы спокойные. Бурные, или эруптивные, протуберанцы подвержены очень быстрым изменениям, наступающим в короткие промежутки времени. Разреженное вещество таких протуберанцев движется с огромной скоростью, достигающей иногда 400–500 километров в секунду, т. е. почти в 1000 раз больше скорости артиллерийского снаряда. Главной составной частью бурных протуберанцев, как показал спектроскопический анализ, являются водород, железо, натрий и другие металлы нижних слоев хромосферы. На этом основании эруптивные протуберанцы называют иногда металлическими. Они имеют вид огромных огненных струй, взлетающих кверху и вскоре падающих вниз, дробясь на несколько частей или рассеиваясь в окружающем пространстве.
В спокойных протуберанцах спектроскоп обнаруживает присутствие водорода и газов верхней части хромосферы: гелия и кальция. Протуберанцы этой группы подолгу, иногда по целым неделям, остаются над одним и тем же местом солнечной поверхности, сохраняя свой вид и не обнаруживая заметных движений. По своей внешней форме они напоминают наши облака, столбы дыма, исполинские деревья с массивными купами. Они высоко поднимаются над хромосферой, часто до 150 000–200 000 километров, уступая высоте, которой достигают бурные, или металлические, протуберанцы. Образование спокойных протуберанцев очень интересно. Они возникают внезапно в виде светлого облачка, плавающего на известной высоте над поверхностью Солнца. Это облачко быстро разрастается, опуская отростки, которые в виде стволов спускаются вниз к Солнцу. Что поддерживает эти газообразные массы на большой высоте, вне солнечной атмосферы, в сильно разреженном, даже безвоздушном пространстве? Некоторые думают, что их отталкивает от Солнца давление солнечных лучей. Другие склонны видеть в этих образованиях местное свечение разреженных газов, находящихся выше хромосферы, возникшее под влиянием местных электрических сил или какой-либо другой причины.
Наиболее отвечающей современному состоянию физики теорией протуберанцев следует признать теорию Прингсгейма (Pringsheim). Этот ученый считает протуберанцы потоками положительных электрических частиц – ионов, одинаковых с анодными или каналовыми лучами, открытыми лабораторно Гольдштейном (Goldstein) и исследованными Вином (Wien) и Дж. Томсоном (Thomson). Став на точку зрения Принсгейма, нетрудно объяснить и колоссальные скорости поднятия протуберанцев. Из опытов над отклонением анодных лучей в электрическом и магнитном полях Вин и Томсон получили их скорость, равную 1000 километров в секунду. Принсгейм, делая простой расчет, показывает, что, допустив для потенциала в хромосфере изменение в 1250 вольт на 1 метр, мы для положительно заряженного атома будем иметь скорость 500 метров. Между тем сильные изменения потенциала в хромосфере вполне возможны, где они могут достигать нескольких тысяч вольт на один метр высоты. Кроме того, известно, что протуберанцы обнаруживают эффект Допплера (Doppler)–Физо (Fizeau), который достигает иногда очень значительных размеров и заключается в смещении спектральных линий.
Действительно, Штарк (Stark) обнаружил смещения такого же порядка, наблюдая линейчатые спектры в каналовых лучах. Последнее обстоятельство в значительной степени подтверждает правильность суждений Принсгейма.
Между обеими группами протуберанцев есть еще одно важное различие: спокойные протуберанцы встречаются одинаково во всех местах Солнца. Бурные же протуберанцы локализуются только в средних и экваториальных областях, т. е. в зоне солнечных пятен. Кроме того, выяснено, что зачастую бурные протуберанцы встречаются близ пятен, с которыми они, по-видимому, имеют тесную связь.
Укажем еще на то, что протуберанцы, подобно пятнам, подчинены 11-летнему периоду, но максимум для них несколько более продолжителен, чем для пятен, как это установлено Деляндром.
Недавняя работа о протуберанцах принадлежит Петти. Он делит протуберанцы на три основных типа: 1) брызгоподобные, прочно связанные с активными пятнами, 2) спиралеобразные, или торнадо, имеющие вид скрученной веревки или тонкого винта, и 3) эруптивные, которые после более или менее длительного спокойствия вдруг мгновенно разрастаются, достигая в несколько часов огромных размеров. Наибольшая скорость эруптивных протуберанцев достигает 400 километров в секунду. Природа этих последних протуберанцев, по мнению Петти, электронная.
В большинстве случаев перед появлением пятна на поверхности Солнца возникают факелы и эруптивные протуберанцы, что говорит о несомненной связи между этими явлениями. Что представляют собой факелы? Это гораздо более светлые части солнечной поверхности. Они образуются из громадных скоплений газов, вырывающихся наружу под большим давлением. Так предполагали раньше. Хэйл, однако, основываясь на спектрогелиографических исследованиях, полагает, что факелы – не простые возвышения фотосферы, а светящиеся массы паров кальция, плавающих в солнечной атмосфере. Впрочем, многие астрономы не согласны с этим мнением Хэйла.
После того как Хзйл и одновременно с ним Деляндр изобрели спектрогелиограф, последовали открытия новых феноменов на Солнце. Так, в 1892 г. Хэйл обнаружил совершенно новые, ранее неизвестные образования, по своей форме напоминающие облака или клочья шерсти, названные Хэйлом флоккулами. Эти флоккулы, согласно рабочей гипотезе Хэйла и Эллермана (Ellermann), представляют те же протуберанцы, только видимые в проекции на солнечный диск. Эти ученые полагают, что вся хромосфера и главным образом обращающий слой представляют ряд гигантских колонн паров, поднимающихся с огромными скоростями из внутренних частей Солнца.
Согласно Деляндру, флоккулы часто образуют на огромных пространствах солнечной поверхности сеть многоугольников, соединенных вершинами и имеющих поразительное сходство с вихревыми ячейками в жидкостях, изученными Бенаром (Benard). Каждый такой солнечный многоугольник представляет из себя аналогичный жидкостному газообразный, замкнутый вихрь – ячейку.
Тем же спектрогелиографическим образом Деляндру удалось обнаружить еще ряд других явлений на Солнце, таких, как волокна и чётки. Совокупность этих образований создает на диске Солнца подлинную сеть. По мнению Деляндра, волокно играет такую же существенную роль для верхних слоев Солнца, как пятна для нижних. Оно существует, подобно пятну, в течение многих оборотов Солнца и является центром особых возмущений, часто сопровождаясь протуберанцами. Деляндр сравнил пятна с циклонами, а волокна – с антициклонами земной атмосферы. Однако ближайшая природа данных явлений до сих пор не выяснена с необходимой точностью.
Наконец, для завершения общего обзора главных феноменов Солнца нам остается упомянуть о солнечной короне, изучение которой сыграло столь значительную роль в анализе явлений солнечной радиации.
Как я уже говорил выше, солнечная корона была подробно описана древними, наблюдавшими ее во время полных солнечных затмений. Средневековые наблюдатели также интересовались короной; так, в 1560 г. Клариус описал корону, виденную им во время затмения. Но лишь во второй половине прошлого века она привлекла живейшее внимание астрономов. Харкнесс (Harkness) и Юнг в 1869 г. показали, что солнечная корона является принадлежностью Солнца, а не лунной или звездной атмосферы, как это ранее думали.
С этих пор интерес к изучению данного явления чрезвычайно возрос.
Спектроскопические исследования короны показывают, что внутренняя часть последней состоит из водорода и корония, который находится в верхних частях внутренней короны. Наружная лучеобразная корона дает, наоборот, так называемый непрерывный свет. Это обстоятельство показывает, что он исходит из твердых или жидких частиц. В спектре наружных частей короны иногда можно наблюдать на светлом фоне темные линии, подобно тому как в спектре фотосферы. На этом основании думают, что это есть солнечный свет, отраженный самою верхнею частью короны, которая, следовательно, несет в своих лучах мельчайшие твердые и жидкие частицы. Тот факт, что свет этот отчасти поляризован, подтверждает мысль, что он отражается от частиц.
В 1889 г. Шеберле (Schaeberle) выдвинул механическую, или эруптивную, теорию короны. Эта теория основана на том, что извержения на солнечной поверхности наиболее деятельны и многочисленны в поясах пятен, поэтому корона производится светом, испускаемым и отражаемым от потоков материи. Русский астроном Бредихин (1831–1904) усовершенствовал теорию Шеберле, приняв во внимание не только притягательное, но и отталкивающее действие Солнца на корональное вещество. В пучках солнечной короны Бредихин усматривает некоторую аналогию с кометными хвостами.
Следует указать также на электрическую теорию короны, изложенную Деляндром в 1897 г. и заслуживающую полного внимания. По мнению французского ученого, к которому теперь присоединяются многие исследователи, видимые лучи короны представляют собою потоки отрицательно заряженных частиц – электронов, излучаемых Солнцем. Деляндр высказался в том смысле, что «катодные лучи, брызжущие из наэлектризованной поверхности факелов, заставляют светиться космическую пыль, распространенную вокруг Солнца».
Уже давно было замечено, что внешние формы солнечной короны подвержены постоянным изменениям. То корона представляется в виде целой серии пучков лучей, расходящихся радиально от Солнца в экваториальных и полярных его зонах, то число пучков значительно уменьшается и лишь экваториальная область остается занятой ими. Русский астроном Ганский (1870–1908) в 1897 г. впервые обнаружил периодическую изменяемость вида короны, стоящую в связи с эпохами максимумов и минимумов пятен. Он показал, что в эпохи максимумов корона охватывает все Солнце в виде многочисленных лучей, а в эпохи минимумов пучки лучей, изгибаясь подобно метлам, локализуются в экваториальной зоне Солнца. На основании своего открытия Ганский мог предсказать вид короны на будущие годы сообразуясь с ходом периодических процессов на Солнце. Действительно, Перрен (Perrin) в 1901 г. – в эпоху минимума – сделал снимок с короны в момент солнечного затмения, и на этом снимке запечатлелся только единственный луч короны, который выходил из единственного солнечного пятна, доступного наблюдению.
Еще Байджлоу (Bigelow) попытался дать объяснение замеченным направлениям в корональных потоках лучей, их кривизне и общему виду. Этот ученый предложил магнитную теорию указанных явлений и электрическую теорию для объяснения отталкивающей силы, которая отбрасывает струи короны от полярных областей. Наконец, Пюпину (Pupin) удалось искусственным образом воспроизвести солнечную корону на медном шаре, соединенном с электрической машиной и заключенном в сосуд с разреженным воздухом.
Интересная связь между силою пятнообразовательного процесса и яркостью солнечной короны была отмечена путем сличения яркости короны 24 января 1925 г. и 14 января 1926 г., полученного Кингом (King), Стетсоном (Stetson) и Кобленцем (Coblentz).
Яркость короны в 1926 г. оказалась на 40% больше, чем в 1925 г. Можно думать, что причиной этого повышения яркости является усиление пятнообразовательной деятельности Солнца.
Из табл. 7, содержащей средние данные о площадях возмущений за 1913–1924 гг., выраженные в миллионных долях полушария Солнца, видна постепенность изменений на солнечной поверхности в связи с 11-летним периодом его деятельности. Видно, что одновременно с уменьшением числа дней без пятен наблюдается возрастание средних суточных площадей для ядер пятен, для пятен, взятых целиком, и, наконец, для факелов. К году максимума солнцедеятельности все эти явления достигают наивысшего развития и начинают уменьшаться с 1918 г. Таким образом, между средними площадями солнечных пятен и средними суточными площадями факелов существует прямая связь.
Таблица 7
| Год | Число дней | Средние суточные площади | |||
| фотографирование | без пятен | ядра пятен | пятна целиком | факелы | |
| 1913 | 365 | 311 | 1 | 7 | 95 |
| 1914 | 365 | 143 | 31 | 152 | 454 |
| 1915 | 365 | 6 | 137 | 697 | 1521 |
| 1916 | 365 | 3 | 135 | 724 | 1785 |
| 1917 | 365 | 0 | 247 | 1537 | 2305 |
| 1918 | 364 | 0 | 188 | 1118 | 1882 |
| 1919 | 365 | 0 | 182 | 1052 | 1729 |
| 1920 | 366 | 4 | 112 | 618 | 1219 |
| 1921 | 365 | 31 | 79 | 420 | 739 |
| 1922 | 365 | 109 | 45 | 252 | 415 |
| 1923 | 365 | 171 | 10 | 55 | 222 |
| 1924 | 366 | 97 | 46 | 276 | 575 |
Все эти сложные явления, которые сосредоточены на Солнце: пятна, протуберанцы, факелы, флоккулы, современная наука сопоставляет одно с другим. Первое явление совпадает со вторым, второе – с третьим, третье – с четвертым и т. д. И это совершается не насильственно, а путем наблюдения и вычисления. Всякое новое явление человеческий ум стремится выделить из окружающей его среды и изучает его вне ее. То же мы наблюдаем и в вопросе о различных явлениях на Солнце, стараясь изучить подробно и добросовестно каждое событие на поверхности светила, будь то пятно или протуберанец. Исследователь выделял их из общей среды солнечной материи и фиксировал все детали этого явления. Но как только дело доходило до причины, породившей тот или иной феномен, отдельное изучение его оказывалось недостаточным, и приходилось соединять одно явление с другим, отыскивая общие, родственные или тождественные черты для обоих явлений. Так, нанизывая одно явление на другое, соединяя один факт с другим, мы приходим к пониманию общего хода солнечной деятельности. Наблюдая даже в простую трубу, легко заметить, что существует определенная связь между пятнами и факелами: то факел заливает своим потоком пятно, то на месте рассеивающегося факела появляется пятно. Область пятен может одновременно считаться и областью факелов, так как в ней часто можно видеть ряды факелов, быстро меняющих свою форму. Флоккулы тоже имеют некоторое соотношение с пятнами, хотя флоккулы встречаются в местах, где пятна отсутствуют, но пятна всегда встречаются там, где наблюдается много флоккул. Заметно также, что появлению пятна всегда предшествует появление в данном месте флоккул. Кроме того, есть существенная связь между пятнами и протуберанцами. Известно, что почти всякое более или менее значительное пятно сопровождается яркими металлическими протуберанцами. Астрономы знают, что если из-за восточного края Солнца показывается верхушка восходящего металлического протуберанца, то можно быть почти уверенным, что через несколько часов появятся и боковые очертания пятна, и притом в большинстве случаев неправильной формы. Когда же происходит пятнообразующая работа раскаленной материи, то на поверхности Солнца наблюдаются грандиозные извержения металлических паров. Но коль скоро пятно возникло, работа раскаленной материи успокаивается, процесс заканчивается, пятно принимает относительно правильные очертания, и пары пропадают. Что касается водородных протуберанцев, они наблюдаются по всей поверхности Солнца и какой-либо их связи с пятнами не установлено. Между факелами и протуберанцами также установлена несомненная связь. Эти явления безусловно схожие между собою, если только не родственные или не тождественные, ибо яркие факелы напоминают формой протуберанцы. Есть даже такое предположение, что факелы и протуберанцы – одно и то же и различают их только потому, что протуберанцы проектируются на фоне неба, а факелы – на фоне поверхности Солнца. Кроме того, с приближением факелов к краю Солнца около них наблюдаются извержения. То же следует сказать и о расплывчатых, еле заметных факелах: они сопровождаются протуберанцами, содержащими водород и гелий. Лучи солнечной короны помимо связи их с пятнами связаны и с протуберанцами. Уже много раз было доказано, что эти лучи вполне соответствуют протуберанцам в близких к ним областях и даже повторяют их внешнюю форму. Необходимо заметить, что в тех местах на Солнце, где появились протуберанцы, извержения вещества, составляющего корону, достигают огромных размеров, а потому не будет преждевременным то утверждение, что лучи короны и протуберанцы порождаются одною и тою же причиною. Таким образом, мы видим ту очевидную родственную связь, какая существует между этими сложными и могучими проявлениями верхних слоев Солнца. И хотя мы еще не имеем окончательной формулы их общего родства, более нельзя сомневаться в том, что все эти процессы подчинены 11-летнему циклу, все они соответственно с ним возникают, а затем исчезают, чтобы через определенный срок возникнуть снова. Эта связь всех явлений на Солнце вносит строй и гармонию в представление о жизненных процессах нашего светила и позволяет делать заключение об единстве его отправлений и их совокупной закономерности.
Итак, мы видим, что, подобно большинству явлений в мире, деятельность Солнца протекает периодически и эта периодичность обусловлена совместными воздействиями внутренних, а также, по-видимому, и внешних причин. Что представляют собою внутренние причины периодической деятельности Солнца, мы не знаем. Без сомнения, жизнедеятельность Солнца, его недр и его поверхности протекает циклически, но наука еще не знает, какими законами может быть вызван этот ритм. Огромная масса Солнца, высокая температура его поверхности и еще более высокая температура его нижних слоев, известное состояние солнечного вещества создают условия, вызывающие сложную периодичность жизнедеятельности, которую мы наблюдаем в различных проявлениях верхних оболочек солнечного шара. В этом отношении Солнце вполне напоминает переменные звезды, за которыми так тщательно следят астрономы.
В то время как к разгадке внутренних причин солнечного ритма астрономы еще не решались приблизиться из-за отсутствия достаточного материала, уже давно были сделаны попытки сопоставить периодичность наблюдаемых на Солнце процессов с периодичностью механических явлений, имеющих место в сфере планет Солнечной системы.
Весьма авторитетные астрономы предполагали, что периодичность в солнцедеятельности обязана своим существованием влиянию планет. Как известно, Солнце кроме вращения вокруг оси обращается еще вокруг центра тяжести всей Солнечной системы. Этот центр тяжести не находится постоянно в одной и той же точке, а перемещается в зависимости от расположения планет на их орбитах, причем особенно важное значение имеют крупные планеты, например Юпитер, и планеты, находящиеся сравнительно близко от Солнца, например Венера и Меркурий. Другие исследователи полагают, что не исключена возможность влияния не только взаимного расположения планет самих по себе, но еще и положения по отношению к направлению движения всей Солнечной системы в пространстве, иными словами, по отношению к апексу и антиапексу.
Уоррен, де ля Рю и Стюарт (Stewart), основываясь на ряде наблюдений над пятнами в период 1862–1866 гг., стремились доказать, что площадь, покрытая пятнами, значительно увеличивается, когда две большие планеты находятся на одной прямой с Солнцем. Они исследовали соединенное действие Меркурия и Венеры, Юпитера и Венеры, Юпитера и Меркурия, а также отдельное влияние Меркурия, когда он приближается к Солнцу или удаляется от него. Астрономы в обсерватории Кью (Kew) в 1872 г. нашли, что число пятен на Солнце увеличивается во время оппозиции Меркурия к Венере. Были сделаны попытки объяснить 11-летнюю периодичность солнцедеятельности 11-летним обращением Юпитера вокруг Солнца. Действительно, для известного промежутка времени кривая солнечных пятен хорошо согласуется с кривой, которая показывает, как изменяется расстояние между Юпитером и Солнцем; однако в другие моменты обе кривые совершенно расходятся. Лумис предположил, что причиною этого влияния могут быть соединения и противостояния Юпитера и Сатурна. Но и это объяснение оказалось неудовлетворительным. Попытка исправить при помощи влияния Сатурна нарушения в ходе указанных явлений принадлежит Пюисо (Puisseaux, 1913).
В том же 1913 г. г-жа Френкель, обрабатывая по методу гармонического анализа числа солнечных пятен за период с 1872 по 1911 г., обнаружила в них постоянство периодов в 200 и 68,5 дня, что отчасти совпадает с сидерическим обращением двух ближайших планет – Венеры (224,7 дня) и Меркурия (87,9 дня). В свою очередь г-жа Маундер высказала в 1907 г. мысль об отрицательном влиянии Земли на пятнообразование за период с 1889 no 1901 г. По ее утверждению, Земля как бы препятствует образованию пятен и способствует их исчезновению. В этом же направлении можно указать на работы Дюпоншеля (Duponchel, 1881), Стратона (Stratton, 1911), Шустера (1911), Арктовского (Arctowsky, 1916), Костицына (1916), Родэ (Rodis, 1921) и др. Одна из последних, не лишенная интереса, попыток принадлежит французу Мальбюрэ (Malburet, 1925). Ему удалось вскрыть замечательный параллелизм между известным соотношением в положении планет и пятнообразованием. Кривые одного и другого явления совпадают с удивительной точностью за период с 1749 г.
Правда, до сих пор еще нет достаточно удовлетворительного объяснения влияния планет на процессы в солнечной атмосфере.
Если считать, что действующей причиной этого влияния является тяготение, то, вычисляя, легко видеть, что оно дает во всех случаях очень малые величины. Так, притяжение, производимое на солнечную поверхность Венерой, составляет 1/750 действия Солнца на Землю. В случае Меркурия и Юпитера действие равно приблизительно 1/1000 влияния Солнца на Землю. Но если принять во внимание, что причина грандиозных возмущений на Солнце лежит внутри самого Солнца, то станет понятным, что влияние планет ограничивается, быть может, лишь размещением этих возмущений как на поверхности светила, так и во времени. Впрочем, вопрос этот приходится признавать еще открытым, настолько в нем много неясного и нерешенного3.
Существует, однако, еще и другое объяснение периодичности солнечных процессов, впервые предложенное Джоном. Гершелем (1792–1871). Оно заключается в предположении, что причиной солнечных пятен является падение на Солнце метеоров. Согласно этому взгляду, периодичность пятен может быть объяснена гипотезой, что метеоры движутся по весьма вытянутой орбите с периодом в 11 лет, образуя в одной части орбиты большие скопления, чем в другой. Орбита эта должна была бы лежать приблизительно в плоскости солнечного экватора, а ее афелий должен был бы находиться близ орбиты Сатурна. Правдоподобность этой гипотезы, которую разделяли многие авторитетные астрономы, основана на том, что нет никаких данных отрицать существование многих метеорных потоков с разными периодами. В то же время гипотеза эта имеет немало и отрицательных сторон, не разрешая вопроса о причине распределения пятен на два параллельных пояса у экватора и ряда других не менее важных явлений. Однако гипотезу эту пытались обосновать американец Пирс (Peirce), Стефани (Stephani) и в недавнее время Тернер.
Гипотеза Тернера, предложенная им в 1913 г., отличалась некоторою новизною и смелостью предположений. Пытаясь отыскать закон для построения кривой солнечных пятен за все время их наблюдений, английский астроном убедился, что найти одну кривую сложного колебания нельзя, так как всякий раз, через некоторое количество лет, кривая вдруг сразу начинает изменяться по другому закону. Такого рода изменения имели место в 1766, 1796, 1838, 1868 и 1895 гг. Совпадение, хотя и неполное, указанных дат с годами встречи Земли с потоками падающих звезд Леонид (1766, 1799, 1839, 1899) побудило Тернера искать соотношение между солнечными пятнами и метеорными роями, обращающимися вокруг Солнца, приблизительно в 33,25 года по эллиптической орбите.
 |
| Рис. 8. Влияние планет Юпитера, Земли, Венеры и Меркурия на деятельность Солнца. Верхняя кривая – констелляция планет. Нижняя кривая – деятельность Солнца (по Ф. Мальбурэ) |
Приступая к обоснованию своего взгляда, Тернер вынужден был внести целый ряд побочных факторов гипотетического или не выясненного точно характера. Он предположил, что благодаря встречам потока Леонид с Сатурном, имеющим место каждые 265 лет, происходит возобновление вещества метеорного потока, падающего на Солнце, а следовательно, каждые 265 лет число пятен на Солнце должно резко увеличиваться. Замечательно, что эта часть гипотезы Тернера получает как будто подтверждение самым неожиданным образом. Из опубликованных японским астрономом Хираямою (Hiroyama) сведений о наблюдении пятен китайскими летописцами видно, что годы, когда пятна наблюдались, обыкновенно следуют или подряд один за другим, или с очень небольшими промежутками, а затем идут перерывы иногда в десятки лет. По Тернеру, встречи Сатурна с Леонидами происходили в следующие годы: 271, 537, 802, 1067, 1333, 1598, 1864. По китайским летописям, вспышки пятнообразовательной деятельности отмечены, между прочим, около 299, 826, 1077, 1370, 1616 гг. Кроме того, известно, что максимум 1870–1871 гг. отличался особою силою. Таким образом, действительно, некоторое время спустя после предполагаемых встреч Сатурна с Леонидами замечалось энергическое развитие пятен. Однако и эта блестяще развитая Тернером гипотеза не только не объяснила целого ряда вопросов, но еще более запутала многочисленными гипотетическими предположениями метеорную гипотезу происхождения солнечных пятен.
С другой стороны, можно думать, что Солнце представляет собою тип пульсирующей звезды и что этот пульс Солнца внешне выражается в виде появления и исчезновения пятен и других явлений в периоды его, так сказать, систолы и диастолы. Во всяком случае теоретически данное явление представляется вполне возможным, ибо в Солнце освобождаются огромные количества тепловой энергии, достаточной для возбуждения и поддержания колебаний. Еще Гильфикер (Hielfiker) и Лэйн (Lane) впервые сделали предположение, что и наше Солнце представляет собою пульсирующую звезду, истинный и видимый диаметр которой подвержен систематическим колебаниям. Действительно, обработка наблюдений, произведенных за 1876–1900 гг. астрономом Армеллини (Armellini) в обсерватории в Кампидоглио, показала, что такие колебания существуют.
И хотя годы максимальных и минимальных значений солнечного диаметра не совпадают с соответствующими моментами солнечной деятельности, все же намечается 11-летняя периодичность их чередования. Имеются предположения, основанные на наблюдениях, что в связи с периодом солнцедеятельности изменяются и экваториальные скорости вращения Солнца.
Как же этот солнечный пульс, эти периодические колебания в активности светила влияют на Землю, а также при помощи каких посредников осуществляются все эти влияния? Вот вопросы, которые мы вправе теперь задать...
Остановимся, однако, прежде всего на рассмотрении последнего вопроса, т. е. вопроса о том, какие энергетические факторы продуцирует Солнце в космическое пространство, где совершает свое вечное кружение земной шар.
В нас глубоко укоренилась привычка считать, что Солнце чрезвычайно удалено от нас. Сто сорок девять с половиной миллионов километров отделяют Землю от Солнца, и все земные размеры и земные расстояния кажутся нам такими ничтожными по сравнению с этим действительно колоссальным расстоянием. Однако мнение о чрезвычайной удаленности от нас Солнца неверно. Его ошибочность происходит оттого, что мы не учитываем одного важнейшего фактора – размеров самого светила и связанной с этим размером величины излучающей поверхности, т. е, силы его радиации. Если бы Солнце было такого же размера, как Земля, то расстояние, отделяющее нас от этого маленького Солнца, хотя и было бы тем же, что и теперь, но оно одновременно было бы во много раз больше! Этот парадокс, однако, станет понятным из того очевидного положения, что расстояние в данном случае есть функция влияния и находится с последним в обратной пропорции. Следовательно, для того чтобы представить себе наглядно расстояние, отделяющее нас от Солнца, необходимо измерить его не абсолютными единицами линейных мер, а величиною относительною, мерами самого Солнца. Таковой мерой может служить диаметр светила. Тогда, разделив расстояние от Солнца до Земли на диаметр светила, мы получим число 107. Следовательно, Земля удалена от Солнца только на сто семь солнечных диаметров. Недаром Эддингтон (Eddington), говоря о Солнце, замечает: «Оно у нас под рукой». Принимая в расчет поперечник Солнца, равный 1 390 891 километру, а также огромную мощь физико-химических процессов, совершающихся на Солнце, необходимо признать, таким образом, что земной шар находится в поле огромной интенсивности его влияния.
Наше Солнце является центром чрезвычайно гармоничной и стройной системы планет. Солнце – «светильник мира («lucerna Mundi»), царствующий в центре», по выражению Коперника (1473–1543). Когда пифагорейцы создавали теорию о «гармонии сфер», основываясь на элементарных представлениях о движении планет, они даже не могли представить себе, насколько закономерны в действительности движения планет и насколько чутка и одновременно прочна связь планет во всех проявлениях их физической жизни. Подобно тому как физиологи находят в живых организмах связь между отдельными их органами, consensus partium [Согласованность частей (лат.)], заключающуюся в регулировании и координировании различных частей при помощи нервной и кровеносной системы, так и астрономы, изучающие явления в Солнечной системе, открывают в ней явления, аналогичные с функциями живого организма. Понадобилось много столетий блестящего развития науки, чтобы мы могли лишь приблизиться к пониманию замечательных физико-химических процессов, происходящих в сфере деятельности Солнца и возглавляемых им. Все эти механические и физико-химические процессы в большей доле обусловлены настоящим состоянием Солнца и являются его производными.
Аналогия между физиологическими механизмами живого существа и физико-химическими механизмами Солнечной системы представится нам еще более убедительной, если мы вспомним о тех связях, которые имеют место в первом и втором случае. В самом деле, нельзя ли сказать, что великое межпланетное consensus partium осуществляется путем нервной и гуморальной системы – электромагнитными силами, действующими при помощи эфира, – этими «нервами», по которым текут регулирующие токи Солнца, и радиоактивными радиациями – «кровяным руслом», приносящим к планетам также долю пищи для ее жизнедеятельности? Недаром же еще Феон Смирнский назвал Солнце «сердцем мира».
Неизвестные нам по своей природе, но данные нам в опыте силы тяготения распространяются Солнцем во все стороны, следуя простому и ясному закону, выхваченному гением Ньютона из законов планетных движений Кеплера: тяготение прямо пропорционально массам действующих тел и обратно пропорционально квадрату их взаимного расстояния. Масса Солнца в 750 раз больше массы всех планет нашей системы, вместе взятых. И великий Нептун, движущийся по периферической орбите системы и отброшенный от Солнца в 30 раз дальше, чем Земля, с легкостью пушинки удерживается Солнцем, смиряющим его порывы из каждой точки своего пути улететь по касательной в темноту бездны Вселенной.
Из всего богатейшего излучения Солнца наша планета получает только десятимиллиардную долю всей энергии, источаемой им. Однако этого количества энергии достаточно для того, чтобы наполнить Землю всевозможными проявлениями жизнедеятельности. Мы не будем здесь иллюстрировать притекающую от Солнца энергию цифровыми данными – скажем лишь, что они достаточно точные, дают нам действительное представление о тех исключительно огромных богатствах энергии, которая притекает к нам от Солнца, обусловливая собою и нашу жизнь, и движение нашей мысли.
Солнце посылает во все стороны мирового пространства колоссальное количество энергии, излучая в секунду около двух эргов на грамм массы. Эта энергия проявляется в различных формах, которые должны быть разделены на две основные категории. К первой категории принадлежат электромагнитные колебания, распространяющиеся в эфире в виде колебательного процесса. В этом отношении Солнце является колоссальным вибратором электромагнитных колебаний. Ко второй – корпускулярные радиации: электронные, ионные и пылевые потоки, распространяющиеся прямолинейно, в виде конусообразных пучков.
Электрические процессы на Солнце, возбуждающие электромагнитные волны, могут возникнуть от разных причин. К одной из причин следует отнести электронные процессы внутри атомов солнечной материи. Подобно равномерно раскаленному шару, и на Солнце, во всех составляющих его атомах, имеют место электронные процессы, возбуждающие световые колебания. Как известно, согласно электронной теории, источником световых волн является колебательное движение электронов, мельчайших заряженных электричеством частиц, находящихся внутри тел. Подобного рода излучения более или менее равномерно распределяются на поверхности Солнца.
Но поскольку на поверхностных слоях возникают места с разными нарушениями обычных физико-химических процессов, образуя бурные вихревые движения, огромные извержения и т. д., на Солнце возникают новые, так сказать экстраординарные, источники электромагнитных излучений, в пространстве возбуждаются электромагнитные волны различной длины, от длинных, какие человек применяет для широковещания, или волн Герца (Hertz, 1889), и до весьма коротких колебаний. Впрочем, короткие волны порядка Милликэновой (Millican) радиации Солнце излучает, по-видимому, при определенных условиях. Последние данные говорят даже за то, что проникающая радиация имеет источником космические туманности, где происходит образование материи из электронов и протонов. Внутри Солнца преобладают Х-лучи, открытые Рентгеном (Rentgen, 1895), которые, как полагают, несколько мягче, т. е. с большими длинами волн, чем рентгеновские лучи, применяемые в медицине. На этом основании Джине (Jeans) называет Солнце гигантским рентгеновским аппаратом. Это различие по длине волны между электромагнитными колебаниями является причиною того, что волны различной длины обнаруживают различную способность к проникаемости через тела. В то же время все тела обладают весьма специфическими свойствами по отношению к электромагнитным волнам различной длины.
Химические реакции внутри солнечного шара и на его фотосфере свидетельствуют о грандиозных электрических процессах, совершающихся там. Благодаря различным химическим реакциям, происходящим при участии металлов, жидкостей и газов, на Солнце возникают участки с различною степенью электризации. Это явление вызывает разность потенциалов, и появляется электродвижущая сила колоссального вольтажа. Эта электродвижущая сила должна вызывать в окружающем пространстве электромагнитные колебания, распространяющиеся во все стороны по законам волновой теории со скоростью, равной скорости света, т. е. со скоростью 300 000 километров в секунду.
Согласно последним достижениям космической физики, работ Джинса, Рёсселя, Эддингтона, конечным источником звездной вообще и в частности солнечной радиации признается одно из самых замечательных явлений Вселенной – аннигиляции. Электроны и протоны внутри Солнца должны время от времени сталкиваться и, взаимно уничтожая друг друга, испускать свою энергию в форме излучений. Известно, что при сближении отрицательных и положительных зарядов изменяется энергия электрического поля и одновременно энергия, распространяющаяся во все стороны в виде электромагнитной волны. При таком процессе выделяются огромные количества энергии, не сравнимые ни с каким другим видом получения энергии, например сжиганием и т. п., и только процессом уничтожения, как полагают, может быть объяснено колоссальное время существования звездных тел. Энергия излучения в момент взаимного уничтожения электрона и протона, после ряда странствований внутри звезды, дойдет до ее поверхности и вырвется в пространство.
Когда магнитные и электромагнитные силы пропадают и поле исчезает, тогда взамен их возникает какой-либо из известных видов энергии, согласно закону сохранения энергии. Каждому электромагнитному полю приписывают некоторую особенную электрическую и магнитную энергию и считают, что, когда поле пропадает, эти энергии превращаются в другой вид, например в тепловую и т.д.
Электромагнитная волна, двигаясь со скоростью света от Солнца, через 8,3 минуты встречает на своем пути Землю, ее атмосферную оболочку. Пространство, отделяющее Солнце от атмосферной оболочки Земли, электромагнитная волна проходит беспрепятственно. Еще никакими способами не удалось обнаружить поглощения света в пространстве. Наоборот, одно из замечательнейших свойств электромагнитных колебаний состоит в том, что при расширении световой волны и расхождении ее на большое пространство она не теряет своей изначальной силы, лишь уменьшается возможность того, что эта сила проявится. Это квантовое свойство до сих пор не получило мало-мальски сносного объяснения.
Но атмосфера Земли производит на электромагнитные колебания определенное действие. Лишь незначительная часть электромагнитных колебаний достигает поверхности Земли. Это те колебания, которые мы непосредственно воспринимаем органом зрения в виде света. Остальная часть задерживается верхними и средними слоями атмосферы и поглощается ими, превращаясь в другие формы энергии. В зависимости от степени проницаемости частично задерживаются на значительной высоте ультрафиолетовые лучи, вызывающие ионизацию воздуха. В свою очередь ионизация воздуха может повлиять на проницаемость электромагнитных колебаний другой длины. Такие электромагнитные колебания достигают Земли уже в ослабленном виде. Если бы электромагнитные волны Солнца известного порядка длины достигали бы Земли, то работа земных радиостанций была бы затруднена вследствие постоянных нарушений. Имея возможность настраиваться на различный диапазон волны, радиостанции, однако, лишь в редких случаях принимают волны, которые нельзя было бы объяснить земными причинами.
Ионизирующая радиоактивная, или корпускулярная, радиация Солнца – это поток солнечного вещества в мировое пространство. Она образуется, по-видимому, от радиоактивного распада элементов, составляющих вещество Солнца, и несет на себе положительные и отрицательные электрические заряды. Уже давно и многими авторами были высказаны мысли, что Солнце ведет себя как радиоактивное тело, выбрасывая из себя потоки электронов, протонов и ионов в виде катодных и анодных лучей. Эта мысль родилась после того, как на Солнце был найден спектр гелия, образующийся, как известно, из радиоактивных тел. Впоследствии эта мысль получила полное подтверждение. По приблизительным подсчетам Дж. Дарвина, 5% всей материи Солнца, безусловно, выделяет атомную энергию, аналогичную с выделениями радия.
Катодное излучение Солнца уносит с собою большие количества отрицательного электричества с поверхностных слоев Солнца. В силу этого обстоятельства положительный заряд их должен увеличиваться, и это увеличение наконец могло бы достигнуть такой степени, что воспрепятствовало бы удалению от Солнца электронов, даже несмотря на давление лучей. Аррениус, пользуясь некоторыми данными электронной теории, вычислил, что максимум заряда положительного электричества Солнца должен равняться 250 миллиардам кулонов. Благодаря заряду положительного знака Солнце распространяет притягательную силу на электроны, блуждающие в пространстве и приближающиеся на известное расстояние к Солнцу. Эти притягиваемые Солнцем электроны пополняют расход отрицательного электричества на Солнце. Солнце, по выражению Аррениуса, дренирует окружающее пространство в отношении отрицательного электричества, и этот дренаж доставляет ему такое количество электричества, которое находится в прямом отношении к его положительному заряду. Таким образом, по мнению шведского ученого, устанавливается известное стационарное состояние, при котором Солнце должно давать весьма значительные истечения электронов и одновременно получать их из окружающего пространства в равновеликом количестве.
Риги (Righi) присоединяется к тому мнению, что большая часть Солнца, подобно всякому телу, раскаленному до высокой температуры и находящемуся в пустоте, выбрасывает электроны. Однако Риги полагает, что на поверхности Солнца существуют такие области, которые иногда испускают положительные лучи, подобные анодным лучам. Он полагает, что некоторые части на поверхности Солнца испускают в обильном количестве положительные ионы, наделенные большими скоростями. Благодаря тому что часть этих ионов не возвращается обратно, на Солнце поддерживается постоянное электрическое равновесие. Областями, испускающими положительные ионы, может быть, являются протуберанцы, сопутствующие пятнообразовательному процессу. Протуберанцы обнаруживают характерные признаки положительных лучей как в отношении своей скорости, так и в спектроскопическом отношении. Считая протуберанцы излучениями положительных ионов, а не взрывами раскаленных газов, легче объяснить и их происхождение благодаря участию в их возникновении и образовании электрических сил, к которым ныне сводятся все известные процессы на Солнце.
Следовательно, можно допустить, что излучение положительных ионов в виде протуберанцев будет продолжаться до тех пор, пока другие места на Солнце не приобретут отрицательного заряда. Такими местами и являются пятна, выбрасывающие отрицательные заряды – электроны. Гипотезой Риги устанавливается интересная картина электрического взаимодействия между протуберанцами и солнечными пятнами, отчасти объясняющая одновременность этих солнечных феноменов.
Очень интересные расчеты о скорости выбрасывания атомов Солнцем были произведены английским астрономом Мильном (Milne). Последний, рассматривая вопрос о влиянии лучевого давления на движение атомов в солнечной атмосфере, пришел к выводу, что при известных условиях атомы могут быть извергнуты от Солнца с огромными скоростями, предельная из которых равна 1600 километрам в одну секунду и не зависит от массы атома.
Дж. Томсон также вполне присоединяется к тому мнению, что Солнце выбрасывает постоянный поток электронов с большою скоростью подобно тому, как это происходит под влиянием раскаленного тела. По мнению Томсона, эта скорость обусловливается также и давлением лучей, действующих на электрический заряд. Приобретя необходимую начальную скорость, электроны могут удаляться от Солнца на весьма значительное расстояние и достигать многих планет. Еще Гольдштейн, исходя из аналогичной точки зрения, пытался объяснить соотношения, существующие между солнечными пятнами и электрическими магнитными явлениями на Земле.
Итак, на основании астрономических наблюдений было сделано заключение, что Солнце, подобно Земле, представляет собою магнит, окруженный магнитным полем очень значительной силы. Мы знаем, что тело при такой высокой температуре, каковою обладает Солнце, не может быть намагничено, но не может ли вращающееся тело действовать, как магнит? Однако вид солнечной короны резко меняется в эпоху максимума. Искривленные линии ее выпрямляются, и световые лучи бьют в пространство перпендикулярно к поверхности. По-видимому, это явление должно быть объяснено тем обстоятельством, что во время максимума пятнообразования начальная скорость выбрасываемого Солнцем вещества в виде корпускул и сила лучевого давления значительно превышают магнитные силы солнечного поля.
Биркеленд (Birceland) экспериментально, а Стёрмер (Stormer) при помощи математического анализа пытались выяснить, насколько характерные черты полярного сияния могут быть объяснены потоком отрицательно заряженных солнечных частиц. Однако в этом направлении возникли некоторые трудности вследствие малой массы электрона, что теоретически приводило к чрезвычайно большому отклонению его пути под влиянием земного магнитного поля. Тогда Фегард (Vergard) и другие сделали предположение, что частицами, вызывающими образование полярных сияний, являются не электроны, а положительные частицы (?-частицы), также испускаемые Солнцем; частицы эти обладают соответствующею скоростью, массою и прямолинейностью пути.
Альфа-частицы были привлечены к объяснению как полярных сияний, так и магнитных бурь, наиболее частых в периоды максимумов солнечных пятен, поэтому они и были отнесены на счет вещества, испускаемого последними в пространстве. Однако Линдеман (Lindeman) сделал возражение теории Фегарда, основываясь на том, что для объяснения собранных фактов с точки зрения этой теории необходимо предположить испускание и распространение частиц от Солнца в виде некоторого конуса и колоссальный запас радиоактивного материала в Солнце. Наконец, он отметил и то, что вследствие взаимного отталкивания альфа-частицы не могут двигаться в виде пучка, который должен обнаружить боковое рассеяние, соответствующее ускорению порядка 1013 см/с на своих краях. Для избежания противоречий Линдеман выдвинул ту мысль, что солнечные частицы, достигающие Земли и обусловливающие собою магнитные бури и северные сияния, представляют собою газовые ионы, испускаемые протуберанцами, которые, как известно, состоят из раскаленных масс газа и иногда достигают высоты 500 000 километров. Эти огромные скорости газов солнечных извержений приобретаются благодаря давлению света, превышающего для столь малых размеров частиц силу тяготения. Этим же давлением объясняется направление кометных хвостов, изогнутых в сторону от Солнца. Далее Линдеман предположил, что вследствие ионизации газов под влиянием высокой температуры в протуберанцах к Земле выбрасываются частицы обоих знаков, а это обстоятельство обеспечивает отсутствие рассеяния благодаря взаимному притяжению разноименных частиц.
В области этих сложных вопросов до сих пор еще не достигнуто общего согласия, однако, рассматривая добытые результаты с различных точек зрения, необходимо прийти к заключению, что того или иного рода частицы выбрасываются Солнцем и, попадая на Землю, служат причиною полярных сияний, магнитных бурь, высокой степени проводимости верхних слоев атмосферы и т. д.
В настоящий момент пути электрических частиц между Солнцем и Землею известны в достаточной степени хорошо. Стёрмеру удалось вычислить эти пути и дать картину траектории отдельной частицы в связи с ее движением в магнитном поле Земли.
К той же корпускулярной радиации Солнца следует причислить и так называемую солнечную пыль, присутствие которой в атмосфере Земли было неоднократно обнаружено. Эти наблюдения позволяют нам сделать заключение о составе солнечной пыли и о ее значении в жизни нашей планеты.
Твердые частицы пыли уносят с собою некоторые газы, находящиеся в хромосфере и в короне Солнца, такие, как гелий, криптон, аргон, и другие благородные газы. Ливинг (Liveing) и Митчелл (Mitchell) считают, что и водород, найденный в нашей атмосфере, имеет солнечное происхождение, так как он не производится в атмосфере Земли. Твердою основой таковой пыли, по-видимому, являются те же вещества, которые составляют основу метеоритов: уголь, силикаты или железо. Солнечная пыль несет на себе также заряды электричества как положительного, так и отрицательного знака, впрочем, некоторые частички могут быть и совсем нейтральными.
Массы солнечной пыли, выброшенные Солнцем в мировое пространство, движутся прямолинейно благодаря полученной первоначальной скорости и лучевому давлению.
Предугаданное еще Эйлером (Euler, 1707–1783) в 1746 г., теоретически полученное Максвеллом (Maxwell, 1831–1879) в 1873 г., открытое в блестящем эксперименте русским физиком Лебедевым (1866–1912) в 1900 г., затем подтвержденное американцами Никольсом (Nichols) и Гуллом (Hull) в 1900–1901 гг., лучевое или световое давление сыграло огромную роль в деле объяснения целого ряда космических феноменов. Позднее вычисления, произведенные Аррениусом и Шварцшильдом (Schwarzchild), показали, что для частичек пыли, диаметром в несколько стотысячных долей миллиметра и имеющих плотность воды, отталкивающая сила светового давления приблизительно в 10 раз превышает силу притяжения Солнца. Хорошо доказывается тот факт, что солнечная пыль в виде мельчайших частиц может отрываться от поверхности Солнца и, гонимая его лучами, следовать в далекие бездны пространства. Тут мы сталкиваемся с интересным вопросом: какова скорость движения каждой пылинки? Легко вычислить время, какое необходимо для того, чтобы частица диаметром в 0,00016 миллиметра и с удельным весом воды подошла к Земле с поверхности Солнца под влиянием силы притяжения Солнца и лучевого давления, которое в 2,5 раза превосходит первое. Мы получим время, равное 56,1 часа, в течение которого пылинка покроет расстояние в 149,5 миллиона километров, отделяющее нас от Солнца, двигаясь, следовательно, со скоростью 740 км/с.
Достигая слоев атмосферы, лежащих на высоте приблизительно 400 километров от поверхности Земли, массы солнечной пыли в своем движении претерпевают резкое замедление. Однако они не накаливаются, подобно метеорам, так как имеют незначительные размеры, благодаря которым подвержены сильному охлаждению путем потери тепла и лучеиспускания. Часть пыли остается в верхних слоях атмосферы, другая часть медленно опускается и достигает поверхности Земли. Общее количество этой солнечной пыли, получаемое Землей, разными авторами оценивается различно. Хотя это количество во много раз уступает общему количеству метеорного вещества, падающего на Землю, тем не менее роль солнечной пыли в ряде земных, геофизических и метеорологических явлений чрезвычайно велика. Эта роль выясняется путем исследования вопроса о зависимости земных явлений от периодической деятельности Солнца, обусловливающей собою количество разбрасываемой пыли. Во всяком случае солнечная пыль, находящаяся в атмосфере, без сомнения, благоприятствует образованию облачности, так как каждая пылинка становится центром конденсации водяных паров.
 |
| Рис. 9. Верхняя кривая – число солнечных пятен (кривая изображена зеркально), нижняя кривая – результаты радиоизмерений. Чертеж показывает, что, чем интенсивнее деятельность Солнца, тем хуже условия радиопередач (по Стетсону) |
Мы получим очень наглядную картину движения корпускулярного потока из солнечного пятна, если сравним движущееся вокруг своей оси Солнце с движущимся вокруг своей оси фонарем маяка или прожектора. Подобно тому как узкий и направленный луч света, вырывающийся из движущегося маячного фонаря, совершает свое круговое движение по темному пространству, так и излучение, вырывающееся из пятна или возмущенных мест Солнца, метет мировое пространство узким и направленным пучком своего лучистого потока. В известные промежутки времени, когда пятно проходит через плоскость центрального меридиана Солнца, его излучения, падая на поверхность Земли, бомбардируют ее своими корпускулами. Тогда Земля погружается вся целиком в электрическую метлу Солнца. Это длится день-два, пока данная группа пятен вместе с Солнцем не переместится далее и таким образом отклонит свой луч от Земли в сторону. Одновременно с этим действие электрических радиации солнечного пятна на Землю прекращается, и Земля снова начинает получать обычную дозу лучистой энергии Солнца, несколько повышенную в периоды максимума и несколько пониженную в эпохи минимума. Но вот новое пятно появляется в плоскости центрального солнечного меридиана, и снова Земля купается в его излучениях. Такими скачками осуществляется влияние пятнообразовательного процесса на нашу планету.
Но не следует думать, что влияние пятна, проходящего через центральный меридиан Солнца, сказывается лишь в огромном притоке корпускулярной материи. Прохождение пятна через центральный меридиан оказывает еще и другое влияние, сущность которого можно хорошо уяснить из следующего: как известно, нормальный спектр Солнца, который дает его фотосфера, может быть отнесен к спектру типа желтых звезд, характеризующихся определенными отличительными чертами. Спектр солнечного пятна значительно отличается от нормального спектра Солнца, как показал еще Локьер. Его следует скорее отнести к спектру желто-красных звезд. Эти два спектра чрезвычайно отличаются один от другого, и принадлежат они телам различных возрастов, различных по химическому составу и физическому состоянию. Желтые звезды значительно моложе красных, и разница температур их верхних слоев достигает нескольких тысяч градусов (2000–3000°).
Таким образом, можно сказать, что, когда солнечное пятно «освещает» Землю, то Земля одновременно освещена как бы двумя Солнцами – желтым и красным, из которых второе старше первого на много миллионов лет. А когда солнечное пятно отодвигает свой луч-поток в сторону, тогда старое Солнце резко прерывает свое влияние и исчезает. Действительно, эти резкие нарушения оказывают, как показали исследования Аббота, огромное влияние на количество притекающей к Земле тепловой энергии.
Александр Леонидович Чижевский