Солнечная активность и солнечные циклы

На Солнце время от времени случаются разнообразные возмущения, включая те, которые происходят вблизи групп солнечных вспышек (о них мы поговорим еще в этой главе). Некоторые виды солнечной активности оказывают влияние на Землю.

Солнечные вспышки в большинстве случаев нельзя увидеть в любительский телескоп, но зато они отлично видны в телескопы, установленные на спутниках. Эти вспышки выбрасывают сгустки солнечной плазмы весом в миллиарды тонн в Солнечную систему, где некоторые из них сталкиваются с защитным "магнитным зонтиком" Земли — ее магнитосферой. В результате этого взаимодействия на Земле возникают северные и южные полярные сияния, а также геомагнитные бури. Эти бури могут привести к неприятным последствиям: сбоям в работе электросетей (и отсутствию электрического освещения), сбоям в электронных системах на газо- и нефтепроводах, помехам радиосвязи, а также нарушению нормального функционирования искусственных спутников.

Солнечные возмущения и их воздействие на магнитосферу называют космической погодой. Последние официальные отчеты о космической погоде, а также прогнозы можно посмотреть на Web-сайте Space Environment Center, подразделения National Oceanographic and Atmospheric Administration (Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы) по адресу www.sec.noaa.gov/today.html.

Все виды солнечной активности, включая 11-летний цикл и некоторые более продолжительные циклы, похоже, имеют магнитную природу. Глубоко внутри Солнца естественная динамо-машина постоянно генерирует новые магнитные поля. Эти магнитные поля поднимаются к поверхности Солнца и в более высокие слои солнечной атмосферы, где в них происходят завихрения, вызывающие различного рода возмущения.

Астрономы с помощью магнитографов измеряют магнитные поля на Солнце по их влиянию на солнечную радиацию. На многих Web-сайтах профессиональных обсерваторий можно увидеть изображения, сделанные с помощью этих устройств (см. раздел "Изображения Солнца в Web"). Наблюдения этих магнитных полей показали, что солнечные пятна — это области усиленного искаженного магнитного поля, что группы солнечных вспышек имеют магнитные полюса — северный и южный. Но, с другой стороны, общее магнитное поле Солнца довольно слабое.

Похоже, что многие быстро меняющиеся детали на Солнце и, вероятно, все взрывы и извержения связаны с солнечным магнетизмом. Когда есть меняющиеся магнитные поля и электрические токи и когда два магнитных поля наталкиваются одно на другое, происходит короткое замыкание, — которое называется перезамыканием магнитных полей, когда внезапно высвобождается огромное количество энергии.

Выбросы корональных масс: причина солнечных вспышек

Сейчас я скажу то, что противоречит написанному в большинстве учебников, за исключением некоторых, опубликованных сравнительно недавно. В течение десятилетий астрономы считали, что наблюдаемые взрывы на Солнце — это, в основном, солнечные вспышки. Мы думали, что солнечные вспышки происходят в хромосфере и что именно они — причина взрывов на Солнце.

Солнечные вспышки можно увидеть на многих изображениях профессиональных астрономических Web-сайтов. И по мере того, как в течение 11-летнего цикла солнечной активности (или цикла пятнообразования) количество солнечных пятен увеличивается, увеличивается также количество вспышек.

Но теперь астрономы знают, что они были подобны слепому, который ощупывал хвост слона и думал, что это и есть весь слон. Наблюдения Солнца из космоса показали, что основная причина солнечных вспышек — это выбросы корональных масс (coronal mass ejections), т. е. гигантские извержения, происходящие высоко в короне, самой тонкой и самой удаленной от центра зоне Солнца. Очень часто выброс корональных масс вызывает солнечную вспышку в нижнем слое короны и в хромосфере.

В течение многих лет ученые не знали о выбросах корональных масс, потому что никто не мог их увидеть. Астрономы получали возможность наблюдать корону только иногда в течение короткого промежутка времени — во время полного солнечного затмения. И видели они только солнечные вспышки, поэтому и приписали им больше значения, чем они того заслуживали.

Некоторые протуберанцы, которые можно увидеть на краешке солнечного диска с помощью Н-альфа фильтра, время от времени извергаются. Эти извергаемые протуберанцы могут быть одним из этапов процесса выброса корональных масс.

Когда на изображениях, сделанных с искусственного спутника, на восточной или западной стороне Солнца виден выброс корональных масс, который не ослабевает, а формирует вокруг Солнца гигантское расширяющееся кольцо, или гало, дело плохо. Появление гало означает, что выброс корональных масс направляется прямо к Земле.

Если на одном из изображений, сделанных с искусственного спутника, вы видите гало, обязательно проверьте сообщения на Web-сайте NOAA Space Environment Center (www.sec.noaa.gov/today.html); возможно, там будут прогнозы NOAA об очень неблагоприятной космической погоде.

Циклы внутри циклов: может ли Солнце менять свои пятна?

Солнечные пятна — это области на Солнце, выглядящие как темные пятна на его фотосфере (рис. 10.3), где магнитное поле очень сильное. Солнечные пятна холоднее окружающей атмосферы и часто появляются группами.

Рис. 10.3. Солнечные пятна

Фотография любезно предоставлена Джерри Лодригессом

На протяжении 11-летнего цикла, этого знаменитого цикла солнечной активности, количество солнечных пятен на Солнце существенно меняется. Когда у американцев еще не было такой темы для обсуждения, как Ричард Никсон или Эль-Ниньо, они обвиняли солнечные пятна абсолютно во всем, начиная от плохой погоды и заканчивая падением цен на акции на фондовой бирже. Обычно между последовательными пиками (когда появляется наибольшее количество пятен) проходит 11 лет, но этот период времени может меняться. Более того, количество пятен, появляющихся на каждом пике, может меняться в широких пределах от одного цикла к другому. И никто не знает — почему.

Когда группа солнечных пятен перемещается по солнечному диску из-за вращения Солнца, самое большое пятно с той стороны, в которую происходит движение (т. е. пятно, которое движется по диску впереди, "ведя" за собой остальные), называется ведущим пятном (leading spot). А самое большое пятно с противоположной стороны называется ведомым пятном (following spot).

Наблюдения с помощью магнитографа показали, что в большинстве групп солнечных пятен существуют определенные схемы и закономерности. В течение 11-летнего цикла солнечной активности все ведущие пятна в северном полушарии Солнца имеют северную магнитную полярность, а ведомые пятна — южную магнитную полярность. В то же время в южном полушарии Солнца ведущие пятна имеют южную полярность, а ведомые пятна — северную.

Вот как определяется эта полярность: компас, стрелка которого на Земле указывает на север, называется ориентированным на север. Такой компас на Солнце будет указывать на северную магнитную полярность. А южная магнитная полярность на Солнце — это направление, противоположное тому, на которое будет указывать компас, ориентированный на север.

Вам все это кажется простым и естественным? Тогда вот что я вам скажу. Когда начинается новый 11-летний цикл, эти полярности меняются местами. Теперь в северном полушарии ведущие пятна имеют южную полярность, а ведомые — северную. И в южном полушарии магнитные полярности тоже меняются местами. Если бы вы были компасом, то не смогли бы понять, что происходит.

Чтобы как-то систематизировать эту информацию, астрономы определили магнитный цикл Солнца. Он длится примерно 22 года и состоит из двух циклов солнечной активности. Каждые 22 года вся схема изменения магнитных полей на Солнце повторяется снова — приблизительно.

Солнечная постоянная или не постоянная?

Общее количество энергии, генерируемой Солнцем, называется солнечной светимостью (solar luminosity). Но нас, землян, больше интересует количество солнечной энергии, которое получает Земля. Оно называется солнечной постоянной (solar constant) и определяется как суммарное количество энергии солнечных лучей, попадающей за 1 секунду на 1 см² площадки, перпендикулярной направлению лучей и расположенной вне земной атмосферы на расстоянии 1 а.е. от Солнца. Солнечная постоянная приблизительно равна 1386 Вт/м².

Измерения, сделанные с помощью спутников, запущенных NASA в 1980-х годах, выявили очень небольшие изменения солнечной постоянной по мере вращения Солнца. Вы, наверное, думаете, что, когда на солнечном диске есть темные пятна, Земля получает меньше энергии, чем когда этих пятен нет. Но все обстоит как раз наоборот. Чем больше солнечных пятен, тем больше энергии Земля получает от Солнца. И это еще одна загадка, которую предстоит решить астрономам.

Согласно астрофизической теории, когда Солнце было очень молодым, оно было немного ярче, чем последние несколько миллиардов лет, и через много лет, когда оно станет красным гигантом, то будет отдавать Земле больше энергии.

Поэтому, говоря "солнечная постоянная", мы принимаем желаемое за действительное. Хотя, конечно, ведя отсчет в масштабе дней, а не тысячелетий, да еще используя любительское оборудование, мы получим значение солнечной постоянной с достаточной точностью.

Тайна солнечных нейтрино. Куда они деваются?

Ядерный синтез в самом сердце Солнца — это больше, чем превращение водорода в гелий и выделение энергии в виде гамма-лучей для нагрева всего Солнца. При этом высвобождается также огромное количество нейтрино, нейтральных субатомных частиц, которые не имеют (или почти не имеют) массы, перемещаются со скоростью света (или близкой к ней, в зависимости от того, есть ли у них масса) и могут проходить почти сквозь все.

Нейтрино — как горячий нож в масле, очень легко разрезающий его.

На самом деле, нейтрино могут беспрепятственно вылетать прямо из центра Солнца и выходить в космическое пространство. Причем те, которые направляются к Земле, пролетают ее насквозь и выходят с противоположной стороны. Некоторые из таких солнечных нейтрино подсчитывают в огромных подземных лабораториях, которые называются нейтринными обсерваториями и расположены, в основном, в глубоких шахтах и туннелях под горами. Но одна новая лаборатория под названием AMANDA построена под полутора километрами льда на Южном полюсе.

Подсчитывать нейтрино непросто, но отчеты нейтринных обсерваторий говорят о нехватке солнечных нейтрино. Дело в том, что количество нейтрино, проходящих сквозь Землю, гораздо меньше того количества, которое должно быть, если исходить из интенсивности генерации Солнцем энергии.

Правда, нехватка солнечных нейтрино — это наименьшая из наших земных проблем. Она отходит на задний план на фоне таких проблем, как недостаток продовольствия в Африке, уничтожение лесов, исчезновение ценных биологических видов и потребление невозобновляемых топливных ресурсов.

Однако проблема солнечных нейтрино тревожит ученых, побуждая их создавать новые теории физики элементарных частиц и проверять теоретические модели процессов, происходящих в солнечных недрах. Недостаток нейтрино может сказать ученым нечто такое, что совершит переворот в физике или астрономии.

Что ж, подождем и посмотрим, как дальше будет развиваться дело о пропавших нейтрино. Но несомненно одно: астрономы будут продолжать изучать Солнце до тех пор, пока не решат его загадки, в том числе о недостатке нейтрино.