Александр Громов - Удивительная Солнечная система

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 цикл Хейла). В каждом новом цикле солнечные пятна имеют определенную магнитную полярность. Например, в северном полушарии в каждой паре пятен впереди (то есть по ходу вращения Солнца) располагается пятно с северным магнетизмом, а позади – с южным. В южном же полушарии в этот период – прямо наоборот. При переполюсовке все меняется. Можно сказать, что Солнце – магнитно-переменная звезда.

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 солнечной постоянной и составляющей 1369 Вт/м 2, вариации все же происходят. В годы максимумов эта величина возрастает на о,2–0,3 % по сравнению с годами минимума. Как видим, Солнце не только магнитнопеременная, но и реально переменная звезда. Астрономы не переводят ее в разряд переменных, во-первых, из-за малости колебаний светового потока, а во-вторых, потому что если учитывать столь малые изменения, то к разряду переменных придется отнести едва ли не все звезды.

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 нуля (в редких случаях – просто до нуля без «почти»), зато в максимуме оно обычно превосходит 100, а на пике максимума может превышать и 200. Тут надо оговориться, что минимум цикла и максимум цикла – понятия в некоторой мере условные, так как число Вольфа изменяется во времени отнюдь не по строгой синусоиде (рис. 24) и вообще пятна, соответствующие новому циклу, могут появиться в высоких широтах еще до того, как закончится предыдущий цикл.

Для нас «на бытовом уровне» важно то, что в максимуме цикла пятна расположены вблизи солнечного экватора, а наклон плоскости земной орбиты к солнечному экватору составляет всего 7,25° – не так уж много. Иначе говоря, если оттуда что «выстрелит», то запросто может задеть и Землю. Что и происходит время от времени.

В активных областях Солнца (то есть там же, где расположены и пятна) время от времени происходят вспышки, иногда очень мощные. Солнечный ветер (поток заряженных частиц – преимущественно электронов и протонов) существует всегда, но во время вспышки он усиливается многократно – к счастью, не во всех направлениях.

Рис. 24. Годовые числа Вольфа с 1750 года

При вспышке из активной области выстреливается довольно узкий пучок частиц, летящих со скоростью порядка 2000 км/с, что вдвое выше скорости нормального солнечного ветра. Что происходит на Земле, когда она проходит сквозь такой пучок, хорошо известно. Это магнитные бури. Поток заряженных частиц сильно деформирует магнитное поле Земли, что чувствуют на себе не только люди, склонные к мигрени, но иногда и население довольно обширных регионов, оставшееся без электричества и телефонной связи. Ведь меняющееся магнитное поле наводит в проводниках (линиях электропередач) довольно значительные токи, вполне способные вызвать аварийное отключение какой-либо подстанции, а вслед за ней – веерное отключение значительной части всей энергосистемы того или иного региона. Кроме того, – и это, пожалуй, единственное приятное свойство солнечных вспышек – они вызывают полярные сияния.