Что такое солнечные пятна?
Движение заряженных частиц, естественно, создает магнитное поле. В Солнце полным-полно заряженных частиц, и они движутся. Во-первых, имеет место конвективное движение. Во-вторых, Солнце вращается вокруг своей оси, причем не как твердое тело, а зонально: скорость вращения на солнечном экваторе выше, чем в высоких солнечных широтах. Следовательно, Солнце должно иметь магнитное поле просто по определению. Так оно и есть, хотя его напряженность по сравнению с рядом более активно вращающихся звезд невелика: около 1 Э (эрстед). Из-за сложной картины движения заряженных частиц магнитное поле Солнца тоже сложное и мало похоже на простое дипольное магнитное поле Земли. Магнитные силовые линии выходят на поверхность Солнца в самых неожиданных и притом дрейфующих местах.
В таких местах и наблюдаются пятна (рис. 22 на цветной вклейке). В них напряженность магнитного поля в 8-10 раз выше средней. Сильное магнитное поле в пятнах проявляется в эффекте Зеемана – расщеплении спектральных линий на три компонента. Показательно, что солнечные пятна часто наблюдаются парами, между которыми протянут пучок силовых магнитных линий, выходящий из поверхности Солнца в одном пятне, образующий арку над солнечной поверхностью и скрывающийся в другом – почти таком же на вид – пятне (рис. 23 на цветной вклейке).
Пятна примерно на тысячу градусов холоднее окружающих их областей [14] и заметно вдавлены, что хорошо заметно визуально, если проследить за пятном, дрейфующим от центра к краю солнечного диска. Воронкообразная форма пятен была обнаружена еще в 1774 году шотландским астрономом А. Вилсоном. Пятна обрамлены флоккулами, которые близ края диска выглядят как
Факелы лучше видны близ края диска из-за эффекта потемнения солнечного диска к краю. Объяснение этого явления состоит в том, что в направлении на центр Солнца (перпендикулярно к поверхности) взор наблюдателя проникает глубже и видит более горячие слои, чем в направлении на край, где луч света, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, проходит значительную толщу верхних, не таких горячих, слоев фотосферы.
Всем известен 11-летний (точнее, и, 1-летний) цикл солнечной активности. Открыл его в XIX веке немецкий астроном-любитель, аптекарь по профессии, Г. Швабе, потративший 43 года на поиски планеты, расположенной ближе к Солнцу, чем Меркурий, и заранее нареченной Вулканом. Поскольку даже наблюдения Меркурия не очень просты из-за близости планеты к Солнцу, так что Меркурий всегда виден низко над горизонтом в лучах вечерней либо утренней зари, Швабе здраво рассудил, что поиски Вулкана на небе сразу после захода (либо перед самым восходом) Солнца вряд ли приведут к успеху. Однако планета, чья орбита почти наверняка лежит недалеко от плоскости эклиптики, и вдобавок ближайшая к Солнцу, должна время от времени проходить по солнечному диску, как проходят по нему иногда Меркурий и Венера. И вот Швабе 43 года занимался наблюдением солнечных пятен, надеясь, что какое-нибудь из них окажется не пятном, а диском неизвестной планеты. Как сейчас заведомо известно, внутри орбиты Меркурия планет нет, и вообще там нет постоянно находящихся тел, чей диаметр превышал бы 5 км, так что поиски Швабе… так и хочется написать «ни к чему не привели». Но нет – они привели к открытию 11-летнего цикла, так что если неутомимый аптекарь надеялся оставить след в астрономии, то он своего добился даже без открытия Вулкана.
Правда, как это часто бывает, выяснилось, что Швабе «изобрел велосипед» и «открыл Америку». Оказалось, что на цикличность появления солнечных пятен обратил внимание датский астроном Горребов еще в 70-е годы XVIII века, но авторитеты того времени отрицательно оценили полученный им результат, да и сами материалы впоследствии погибли при обстреле Копенгагена эскадрой адмирала Нельсона, как легко догадаться, мало озабоченного вопросами солнечной астрономии. Так что 43-летние труды Швабе были не напрасны.
Эстафету подхватил швейцарский астроном Рудольф Вольф. Он подтвердил цикличность появления пятен, предложил специальный индекс солнечной активности, впоследствии названный в его честь, выдвинул идею об организации Службы наблюдения Солнца и восстановил по сохранившимся наблюдениям предшественников среднегодовые значения W начиная с 1700 года, а начиная с 1749 года – и среднемесячные. Позднее эта «летопись» была дополнена еще более ранними, но, к сожалению, отрывочными наблюдениями.
Наблюдения Горребова и Швабе блистательно подтвердились: действительно, в среднем каждые и лет количество пятен на Солнце увеличивается, чтобы затем уменьшиться, снова увеличиться через 11 лет, и так без конца. Менее известны другие циклы, как более короткие (2-летний), так и более длинные, вековые (например, 180-летний) и сверхвековые. Прежде всего: чем они вызываются?
Первопричина лежит в зональном вращении Солнца. На экваторе солнечное вещество делает полный оборот за 25,38 земных суток (что соответствует линейной скорости 2 км/с), близ полюсов же – примерно за 33 суток. И на эту разницу накладывается еще конвекция в толстом верхнем слое Солнца! Нет ничего удивительного в периодичности – или, говоря точнее, квазипериодичности – явлений на поверхности Солнца. Ведь конвекционные движения вещества нередко лишь кажутся хаотическими, на самом же деле они часто обладают известной степенью упорядоченности. Циклическая (а не случайная) активность Солнца – одно из проявлений такой упорядоченности в неупорядоченных с виду системах.
Магнитное поле Солнца переполюсовывается каждый 11-летний период, что говорит об изменении направления движения больших масс вещества; таким образом, полный период изменений солнечной активности составляет 22 года (магнитный цикл, он же
В минимуме активности пятен не только мало, но, что для нас важнее, они находятся далеко от солнечного экватора, группируясь примерно к 35-й широте (северной и южной), а иногда заходят и за 50-ю широту. Ближе к максимуму активности пятна смещаются ближе к экватору (закон Шперера) и их становится больше. С середины XIX столетия уровень активности определяется числом Вольфа (W), равным сумме числа отдельных пятен и удесятеренного числа групп пятен. Числом Вольфа астрономы порой пользуются и ныне, хотя оно несколько субъективно, да и дискретно. Физически более обоснованным является другой важный индекс солнечной активности, а именно поток солнечного радиоизлучения на волне 10,7 см. Его регистрация ведется с 1948 года. Величина этого индекса просто-напросто представляет собой среднюю температуру теплового излучения, связанного с активными областями на Солнце. Однако немаловажно то, что этот вполне объективный индекс хорошо коррелирует с числом Вольфа.
Итак, во время максимумов солнечной активности на Солнце больше пятен и выше уровень радиоизлучения от него. А что же оптическое излучение? Измерения показали, что при среднем количестве солнечной энергии, приходящейся на единицу перпендикулярной солнечным лучам поверхности на среднем расстоянии от Земли до Солнца, называемой
Внимательный читатель может заподозрить некоторое противоречие: поток идущей от Солнца энергии в годы максимумов активности возрастает, в то время как пятен на Солнце становится больше, они занимают большую площадь, и они холоднее, а значит, поток солнечной энергии по идее должен уменьшаться, а не увеличиваться. Но нет, он все-таки увеличивается. Объясняется это тем, что факелы и целые факельные поля, обрамляющие пятна, не просто компенсируют падение излучения в пятнах, но компенсируют его даже с некоторой лихвой.
Пятна бывают как маленькими, так и громадными – больше поперечника Земли. В 1995 году автоматической солнечной обсерваторией SOHO, выведенной на меридиональную гелиоцентрическую орбиту в целях изучения Солнца, было зафиксировано рекордное пятно с поперечником в 100 тыс. км, что в семь с лишним раз больше земного диаметра. В минимуме цикла число Вольфа может сократиться почти до
