Йэн Стюарт - Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

Для древнегреческих философов Солнце было идеальным воплощением небесной геометрии — безупречной сферой. Но астрономы древнего Китая, глядя на Солнце сквозь дымку, заметили на нем пятна [61] Крупные солнечные пятна прекрасно видны без всякой оптики на изображении солнечного диска, получаемом на листе бумаги в темной комнате, куда свет Солнца проникает через маленькую дырочку. — Прим. ред. . Кеплер в 1607 году тоже заметил пятно на Солнце, но принял его за Меркурий, проходящий по солнечному диску. В 1611 году Йоханнес Фабрициус опубликовал работу Maculis in Sole Observatis, et Apparente earum cum Sole Conversione Narratio («Описание наблюдаемых на Солнце пятен, передвигающихся вместе с Солнцем»), название которой говорит само за себя. В 1612 году Галилей наблюдал на Солнце темные пятна неправильной формы и сделал рисунки, показывающие, что эти пятна движутся; тем самым он подтвердил мнение Фабрициуса о том, что Солнце вращается. Существование пятен на Солнце разрушило давнюю веру в совершенство Солнца и послужило поводом для горячего спора о приоритете.

Число солнечных пятен меняется год от года, но существует достаточно регулярная закономерность — 11-летний цикл, на протяжении которого число пятен меняется от практически полного отсутствия до сотни и более в год. В 1645–1715 годах эта закономерность была нарушена, и пятен на Солнце практически не наблюдалось. Этот период называют минимумом Маундера.

Возможно, между пятнообразовательной активностью Солнца и климатом Земли существует какая-то связь, но связь эта, даже если она есть, вероятно, слаба. Маундеровский минимум совпал с серединой Малого ледникового периода — длительного периода необычно низких температур в Европе. То же можно сказать и о следующем периоде низкой солнечной активности — минимуме Дальтона (1790–1830 годы), включающем и знаменитый «год без лета» (1816 год), но низкие температуры того года объясняются гигантским вулканическим взрывом горы Тамбора на острове Сумбава в Индонезии. Малый ледниковый период также мог быть вызван, по крайней мере отчасти, высоким уровнем вулканической активности. Минимум Шпёрера (1460–1550 годы) связан еще с одним периодом похолодания; о минимуме солнечной активности в этот период свидетельствует связанное с ним содержание изотопа углерода-14 в годовых кольцах деревьев. Записи о солнечных пятнах в этот период не велись.

Если нанести на график не только число солнечных пятен, но и их широту, получится забавная картина, напоминающая длинный ряд бабочек. Цикл начинается пятнами возле полюса, но постепенно, по мере приближения их числа к максимуму, пятна начинают появляться ближе к экватору. В 1908 году Джордж Хейл сделал первый шаг к пониманию такого поведения пятен; он связал солнечные пятна с необычайно мощным магнитным полем Солнца. Хорас Бэбкок смоделировал динамику магнитного поля Солнца в самых внешних его слоях и связал цикл солнечных пятен с периодическими изменениями полярности солнечного динамо. В его теории полный цикл длится 22 года, причем две его половины разделяет инверсия магнитных полюсов с южного на северный и наоборот.

Солнечные пятна кажутся темными только по сравнению с их окружением; их температура составляет около 4000 K, в то время как газы вокруг них имеют температуру 5800 K. Солнечные пятна похожи на магнитные бури в супергорячей солнечной плазме. Их математика управляется магнитной гидродинамикой — чрезвычайно сложной дисциплиной о намагниченной плазме. Представляется, что солнечные пятна — это верхние концы трубок магнитного потока, берущих начало глубоко в недрах Солнца.

Усредненная форма магнитного поля Солнца — диполь, напоминающий собой стержневой магнит; у него есть северный полюс, южный полюс и силовые линии, идущие от одного к другому. Полюса выстроены вдоль оси вращения, и за время нормально протекающих циклов солнечных пятен их полярности меняются местами каждые 11 лет. Так что магнитный полюс в «северном полушарии» Солнца иногда представляет магнитный север, а иногда — магнитный юг. Солнечные пятна, как правило, появляются связанными парами, причем поле между ними напоминает поле стержневого магнита, ориентированного вдоль линии восток — запад. Пятно, которое появляется первым, имеет ту же полярность, что и ближайший полюс основного магнитного поля, а второе пятно, которое появляется следом, — противоположную полярность.

Солнечное динамо, формирующее магнитное поле нашего светила, вызывается к жизни конвективными циклонами во внешнем слое Солнца толщиной 200 000 километров в сочетании с особенностью вращения звезды: на экваторе вращение происходит быстрее, чем вблизи полюсов. Магнитные поля «захватываются» плазмой и, как правило, движутся вместе с ней, так что силовые линии, первоначально идущие от полюса к полюсу и пересекающие экватор под прямым углом, начинают закручиваться по мере того, как экваториальная область утягивает их вперед по отношению к приполярным областям. Силовые линии перекручиваются, поля противоположных полярностей переплетаются. Солнце продолжает вращаться, линии магнитного поля закручиваются все плотнее, и, когда напряжения достигают критической величины, трубки изгибаются и выходят на поверхность. Линии поля вытягиваются, а связанные с ними солнечные пятна дрейфуют к полюсу. Ведомое пятно достигает полюса первым и, поскольку оно имеет противоположную полярность, вызывает — не за один раз, а после множества аналогичных событий — смену полюсов магнитного поля Солнца. После этого цикл повторяется уже с перевернутым полем.

Одна из теорий минимума Маундера состоит в том, что дипольное поле Солнца дополняется квадрупольным полем — это как два стержневых магнита, уложенные рядом. Если период смены полюсов квадруполя слегка отличается от соответствующего периода диполя, между ними возникают «биения» — как при звучании двух близких, но не совпадающих музыкальных нот. Результатом являются долгопериодические колебания средней величины поля на протяжении цикла, и, когда оно затухает, солнечных пятен почти не возникает. Более того, квадрупольное поле в разных полушариях имеет противоположные полярности и потому усиливает дипольное поле в одном полушарии и в то же время гасит его в другом. Поэтому те немногие пятна, которые все же возникают, все появляются в одном полушарии, что, собственно, и происходило во время минимума Маундера. Аналогичные эффекты косвенно наблюдались и на других звездах, на которых, возможно, тоже бывают пятна.

Силовые линии поля, выходящие за пределы фотосферы, могут порождать солнечные протуберанцы — громадные петли раскаленного газа. Эти петли могут размыкаться и пересоединяться, позволяя плазме вместе с линиями магнитного поля уноситься прочь с солнечным ветром. Так возникают солнечные вспышки, способные нарушать линии связи и наносить вред электрическим сетям и искусственным спутникам. Часто за ними следуют корональные выбросы массы, когда из короны — разреженной области за пределами фотосферы, видимой глазом во время солнечного затмения, — высвобождаются громадные количества вещества.