Звезда по имени Солнце

Об этом нам рассказал заместитель директора Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН, заведующий Отделом Физики Солнца, заведующий Лабораторией Проблем Космической Погоды, доктор физико-математических наук Юрий Наговицын.

^{Юрий Наговицын}

^{©Ольга Фадеева}

– Юрий Анатольевич, как же изучают Солнце?

– Прежде всего, хочу сказать, что наука о Солнце – гелиофизика, среди всей астрономии, изучающей Вселенную, наверное, самая консервативная отрасль в смысле построения теорий явлений. Все это из-за того, что Солнце находится в 250 тыс. раз ближе, чем ближайшая из звезд, и, соответственно, наблюдательного материала о Солнце за сотни лет накоплено громадное количество. Гораздо больше, чем о каждом из далеких объектов, и поэтому любую теорию нам проще проверить. И еще особенность: солнечники, пожалуй, одними из первых астрономов (еще во время экспедиций в места солнечных затмений в XVIII-XIX вв.) догадались, что для наиболее правильных выводов о небесных объектах нужны кооперативные усилия, международные программы. Так, предшественником международного астрономического союза – объединения всех астрономов, появившегося в 1919 году, – стала комиссия по исследованию Солнца, созданная в 1904 году известным астрономом Джорджем Хейлом (который, кстати, сделал важнейшее открытие магнитных полей на Солнце). Замечу, что на этом съезде в США присутствовал директор Пулковской обсерватории Оскар Баклунд. Вернувшись оттуда, он создал российское отделение этого общества, а с него, собственно, пошла координация солнечных наблюдений у нас в стране – так называемая Служба Солнца.

– Расскажите немного о Солнце, назовите общие сведения, известные на сегодняшний день?

– Радиус Солнца – 695,990 км, что равно 109 радиусам Земли. Масса – примерно 333,000 масс Земли. Возраст – 4,57 млрд лет. Температура ядра – 15,600,000° К. Температура видимой Солнечной поверхности (фотосферы) – 5770° К. На графике мы можем наблюдать, как вблизи от поверхности температура вначале уменьшается, затем выходит на некое плато – 6 тыс. градусов вплоть до высоты 2 тыс. км, и потом резко за несколько сотен километров возрастает вверх до миллионных значений в короне. Плотность при этом от фотосферы до короны падает на восемь порядков (в сто миллионов раз!). Механизм нагрева солнечной атмосферы до сих пор загадка, хотя и есть несколько различных гипотез. 

^{Ход температуры и плотности с высотой в солнечной атмосфере}

^{©Юрий Наговицын} 

^{Дифференциальное вращение Солнца}

^{©Юрий Наговицын} 

– Солнце совершает один оборот вокруг своей оси за 27 суток. Но нужно сделать оговорку – вращается оно не как твердое тело вроде Земли или Луны, а дифференциально: экватор вращается быстрее, а чем ближе к полюсам, тем вращение происходит медленнее. Замечу, что на этом эффекте, в частности, строится теория солнечной цикличности. 

Цикличность – это, прежде всего, изменение числа солнечных пятен – объектов, температура которых меньше, чем у окружающей фотосферы, из-за чего они выглядят темными на солнечном диске.

^{Солнечные пятна}

^©NASA/SOHO

Этот снимок был получен на борту космического аппарата SOHO, снабдившего гелиофизиков за полтора десятка лет своей работы обширным наблюдательным материалом.

^{Солнечное пятно и зеемановское расщепление спектральных линий – слева. Джорж Эллери Хэйл – справа}

^{©myshared.ru/ liveinternet.ru} 

– Джорж Хейл в 1908 году, наведя щель спектрографа на солнечное пятно, увидел, что спектральная линия расщепляется на три компонента. И в соответствии с эффектом Зеемана объяснил, что причина этого расщепления – магнитное поле. Так было совершено первое открытие внеземного магнитного поля. Магнитные поля солнечных пятен – несколько тысяч гаусс, что, соответственно, в несколько тысяч раз больше, чем наше земное магнитное поле. Пятна окружают активные области – участки с магнитным полем в несколько сотен гаусс. Таким образом, активность Солнца – это изменения солнечного магнитного поля.

– Расскажите об одном из самых загадочных явлениях Солнца – о пятнах, и об 11-летнем цикле солнечной активности.

– Как мы уже отмечали, число солнечных пятен периодически изменяется, это и называется 11-летним циклом – циклом Швабе-Вольфа. Открытие цикла солнечной активности – это отдельная интрига. Дело в том, что хотя китайцы знали о существовании пятен на Солнце уже 2,5 тыс. лет назад, в Европе они были открыты Галилео Галилеем только в начале XVII века. Одновременно с Галилеем эти пятна обнаружили еще трое астрономов – Шейнер, Фабрициус и Гарриот. Казалось бы, они довольно быстро должны были обнаружить и 11-летний цикл. Но дело в том, что Шейнер оспаривал у Галилея приоритет открытия солнечных пятен. И поскольку он был влиятельным иезуитом, с его подачи начались те самые гонения на Галилея, о которых всем нам хорошо известно. В отличие от Галилея, который сразу понял, что эти пятна принадлежат Солнцу, Шейнер полагал, что это планеты на орбитах внутри орбиты Меркурия, которые проектируют свою тень на диск Солнца, и, следовательно, должна быть повторяемость их появления на диске. Но поскольку в официальной передовой науке победил Галилей, от неверной гипотезы Шейнера отказались, про сам факт пятен ученые как-то забыли, т.е. не считали его существенным. К тому же на Солнце в то время как раз случился так называемый Маундеровский минимум, когда на Солнце в течение полувека было реально мало пятен

.

^{Цикл солнечных пятен и его первооткрыватели}

^{©Юрий Наговицын} 

– Со времен Галилея все выводы о Солнце основывались на нерегулярных наблюдениях, а регулярно Солнце стали наблюдать только с 1826 года. Начало этому положил немецкий аптекарь Генрих Швабе. Он был астрономом-любителем, и тоже «догадался», как ранее Шейнер, что солнечные пятна – планеты внутри орбиты Меркурия, поэтому и стал регулярно их наблюдать и зарисовывать. Пронаблюдав за ними с 1826-го по 1848 год, он не только понял ошибочность своей первоначальной идеи, но и открыл 11-летний цикл числа пятен. Это сразу вызвало большое оживление в научном мире. Швейцарский астроном и математик Рудольф Вольф организовал первую службу Солнца в Цюрихе, провозгласив правило – наблюдать Солнце каждый день. С тех пор гелиофизики во всем мире регулярно этим занимаются.       

^{Бабочки Маундера и цикл солнечных пятен}

^©NASA

– На нижнем графике изображен цикл солнечной активности, здесь мы видим изменения относительного числа пятен или числа Вольфа. На верхнем графике изображено широтное расположение пятен, появляющихся в течение цикла на поверхности Солнца. В начале цикла пятна находятся на высоких широтах, потом они постепенно мигрируют к экватору. Это явление называется бабочками Маундера, хотя согласно историческому анекдоту, правильнее было бы назвать его бабочками миссис Маундер, поскольку открыла их супруга английского астронома Эдварда Маундера, которая в дальнейшем тоже стала известным астрономом. Как же она их открыла? Маундер был интенсивно работающим астрономом, ему все время было некогда, и он посадил свою жену за лаборантскую работу – наносить на график положения пятен в гелиографической сетке. Что она и сделала, и, показав график мужу, сказала: «Смотри, это же бабочки!». 

^{Меридиональная и азимутальная конфигурации магнитного поля Солнца}

^{©Юрий Наговицын} 

– Почему же появление числа солнечных пятен на поверхности Солнца происходит циклически?

– Хотя еще не все до конца ясно в этом вопросе, существует теория солнечного динамо, которая в общих чертах может ответить на этот вопрос. Она апеллирует к тому, что кроме низкоширотного (±45° от экватора) азимутального поля, проявляющего себя в виде всплывающих на поверхность активных областей и солнечных пятен, у Солнца имеется более слабое меридиональное поле, в первом приближении – дипольной конфигурации. Далее вводится в рассмотрение два эффекта. Первый из них, омега-эффект, из-за дифференциальности вращения Солнца приводит к усилению первоначально меридионального поля, вытягивая его вдоль экватора и превращая его конфигурацию в азимутальную. Второй, альфа-эффект, из-за турбулентной диффузии и спиральности, наоборот, разрушает первоначально азимутальное поле и вытягивает его в меридиональном направлении. Так образуется замкнутый цикл попеременной активности азимутального, «пятенного» поля и меридионального, «дипольного».

– Какие наиболее энергичные явления происходят на Солнце?

^{Корональный выброс на Солнце. Архивное фото}

^©NASA/SDO

– Прежде всего, это солнечные вспышки, явления в активных областях Солнца – выброс энергии до 10^32 эрг, очень крупные события. Они сопровождаются корональными выбросами массы – явлением, которое может происходить и вне активных областей и которое распространяет свое влияние на гелиосферу, на всю Солнечную систему.

^{Корональный выброс массы на Солнце 14 января на снимке солнечного телескопа SOHO}

^{©ESA/NASA/SOHO}

– Двигаясь по спирали, выброс достигает, в частности, орбиты Земли и может произвести геомагнитные возмущения. Моменты солнечных вспышек и корональных выбросов массы заранее довольно трудно предсказать, в отличие от геомагнитных возмущений. Потому что возмущения следуют через 2-4 дня после этих событий, и если корональный выброс массы уже произошел, мы можем составить прогноз возмущенности геомагнитного поля Земли. Более точный прогноз должен учесть положение активного события на солнечном диске: до нас доходят только те выбросы, которые исходят из видимой центральной зоны на Солнце.

– Что такое космическая погода и каковы ее последствия для нас?          

– Космическая погода – это весь комплекс внешних по отношению к Земле космических факторов, способных влиять на земные процессы. Какие бывают последствия от этой космической погоды? Их сколько угодно. Пропадают навигационные сигналы, использующиеся для определения местоположения судов и самолетов, спутников. Нарушается радиосвязь, а на коротких волнах происходит полное радиомолчание, теряется радиосвязь с кораблями, подводными лодками. Могут случиться аварии в энергосистемах целых районов, областей, провинций. Происходят сбои в работе приборов спутниковой ориентации, которые могут привести к полному отключению энергоснабжения космических аппаратов. И, наконец, космическая погода может нанести ущерб здоровью космонавтов и даже пассажиров авиалайнеров.      

– А что такое космический климат?                                                                             

– Это понятие относительно «молодое», впервые оно было предложено организаторами международной конференции в Финляндии в 2004 году Ильей Усоскиным и Калеви Мурсулой. Есть несколько рабочих определений этого понятия. Космический климат – это и долгопериодические тенденции космической погоды; и совокупность солнечно-земных связей, действующих на длительных временах; и совокупность внешних климатических факторов, влияющих на земной климат.

– Довольно часто можно услышать мнение о том, что Солнце способно менять климат Земли. Что вы думаете по этому поводу?

– Когда кто-то из гелиофизиков ищет в солнечной активности непосредственный источник изменений климата Земли – мне становится неудобно за нашего брата, потому что существует целый ряд земных климатообразующих факторов, каждый из которых очень существенен, если не сказать – грандиозен. Вот эти факторы: влияние атмосферы, влияние – гидросферы (океана), далее – литосферы (подстилающей поверхности), после – криосферы (ледников), затем – биосферы и только после этого – Солнца (светимости и солнечной активности). Кстати, вклад солнечной активности в климат Земли можно оценить, что и было сделано нами. Мы получили вот такой график:

^{Вклад солнечной активности в изменения климата Земли}

^{©Юрий Наговицын}

– На графике видно, что 11-летний цикл дает нам вклад в земной климат меньше 2%, то есть этот цикл на климат не влияет. И такую картину мы можем наблюдать вплоть до периода – 70 лет, после чего вклад уже начинает постепенно расти. И наибольший вклад – порядка 40-50% – мы можем наблюдать на длительных временных периодах. Например, 200-летний цикл солнечной активности, называемый циклом Зюсса, может активно влиять на климат. Если взять среднее значение для всех климатообразующих факторов на всех временных периодах, то Солнце вносит в среднем ~20% вклада в изменение климата Земли. Таким образом, изменить земной климат Солнце не способно, оно способно только внести в это изменение свой вклад.

С другой стороны, Межправительственная группа экспертов по изменению климата IPCC, как известно, утверждает, что изменение климата и глобальное потепление происходят из-за парникового эффекта от промышленных выбросов в атмосферу СО₂. К сожалению, для специалиста это звучит довольно странно, потому что основная доля – более 90% всего земного углекислого газа –  растворена в океане. И если повысить температуру океана всего на 1 градус, то в атмосферу поднимется столько углекислого газа, что все заводы вместе взятые за все время их существования никоим образом не смогут «конкурировать» с этим «загрязнителем» воздуха. На самом деле, именно на основе океана можно построить модель того, каким образом солнечная активность влияет на климат Земли, но это весьма трудоемко. И этой проблемой уже, полагаю, должны заниматься не астрономы, а климатологи.

^{Средний уровень солнечной активности последних 2000 лет}

^{©Юрий Наговицын}

– Если регулярные наблюдения Солнца начались только с 1826 года, то каким образом астрономы узнают о том, что происходило с нашей звездой до этого?

– Все, о чем мы говорили, происходит на сравнительно коротких промежутках времени – вспышка длится десятки минут, время между вспышками – это несколько часов-дней, солнечное пятно живет месяц, активная область – до года, цикл активности длится 7-17 лет. Перейдем к тому, чем занимается непосредственно наша лаборатория. Ведь кроме 11-летнего существуют более длительные циклы – 80-90 лет (цикл Гляйссберга), 200 лет (цикл Зюсса), 900 лет и т. д. Их суперпозиция и определяет сложную структуру развертывания солнечной активности на большой временной шкале и последующих земных проявлений. Потому что чем мощнее цикл, тем выше вероятность крупных вспышек.

Как мы узнаем о том, что было с Солнцем сотни и тысячи лет назад? На самом деле, есть много разных методов. И тут важно помнить, что мы должны использовать совокупность наблюдений из разных источников, в том числе мы можем пользоваться и косвенными данными. Например, полярными сияниями. Оказывается, число полярных сияний, наблюдаемых на низких широтах Земли, очень точно следует 11-летнему циклу. И архивам этих сияний больше 2000 лет, особенно они полны в Китае. Вообще, половина наблюдений полярных сияний – китайские. Пятна, видимые невооруженным глазом, тоже, кстати, чаще наблюдали именно китайцы (часть пятен можно увидеть невооруженным глазом, если смотреть на Солнце через затемненное стекло, или на гладь озера; при этом Солнце должно быть невысоко над горизонтом). Но зачем китайцы вообще наблюдали эти пятна в те незапамятные времена? Дело в особенностях древней и средневековой китайской философии. Следуя ей, все, что происходит на Земле, – происходит и на небе (это своего рода астрология). Китай – Срединная империя, она же Млечный путь, Солнце – это император. Поэтому если наблюдать пятна на Солнце – можно предупредить императора о всевозможных кознях. На публичных лекциях я люблю рассказывать о «первой теории» происхождения пятен на Солнце, которая описана в китайских летописях. Если верить им, то пятна на Солнце возникают тогда, когда китайские чиновники не оберегают императора от неверного курса. Кстати, наши знания о полярных сияниях и солнечной активности были бы гораздо полнее, если бы в это дело не вмешалась политика. Так, в III веке до н.э. в Китае пришел к власти император Цинь Шихуань-ди, тот, который создал знаменитое терракотовое войско и создал единую Китайскую стену. Он был конфуцианец, и следуя философии Конфуция, который говорил, что правитель должен держать подданных в неведении, приказал уничтожить все имеющиеся письменные источники. В Европе мы лишились источников в VII веке, когда благодаря халифу Омару была сожжена Александрийская библиотека. Если бы не два этих политика – мы знали бы о Солнце гораздо больше.   

– Но как узнать о том, какова была солнечная активность в доисторические времена?

– Наиболее продолжительный период, данные для которого можно еще в той или иной степени надежно получить,– это Голоцен (последние 10-12 тыс. лет). Получить их можно изучая содержание радиоуглерода в кольцах деревьев. Дело в том, что это радиоуглерод образуется в верхней тропосфере под воздействием галактических космических лучей, которые приходят к нам из центра Галактики. Солнечная активность посредством гелиосферы модулирует поток ГКЛ и количество образовавшегося радиоуглерода изменяется от года к году. Радиоуглерод после дрейфа по различным земным природным резервуарам, аналогичным тем, о которых мы говорили при описании генезиса климата, в конце концов попадает в определенный год в кольцо дерева, а кольцо дерева, как известно, это идеальный годовой маркер. И, соответственно, мы можем в разных древесных кольцах измерить количество радиоуглерода и реконструировать ход солнечной активности в прошлом. Аналогичные данные можно получить через измерения содержания изотопа бериллий-10 во льду. Лед тоже имеет слоистую структуру за счет сезонности, поэтому это тоже один из основных источников данных. И так, объединяя все доступные данные, мы можем представить себе изменения солнечной активности в течение десятка тысячелетий. Для этого разработан ряд специальных подходов.   

В конце нашей беседы хотел бы все-таки подчеркнуть, что в ответах на ваши вопросы я намеренно несколько упрощал изложение для того, чтобы читателям было понятно то, о чем я говорю. На самом же деле, Солнце – это невероятно многогранный астрофизический объект, и проблемы его очень трудны и требуют больших интеллектуальных вложений. Поэтому, вспоминая английского астрофизика Артура Эддингтона, завершить нашу беседу я хотел бы словами: «Нет ничего проще, чем звезда… и нет ничего сложнее нашего Солнца».