Солнце
Тысячелетиями люди завороженно смотрели на Солнце, удаленное от Земли на 150 млн. км. С ним связывались верования и легенды, ему посвящались песни, поэмы и трактаты. Но лишь в наше время с помощью новейших научно-технических средств удалось проникнуть во многие тайны этой ближайшей к Земле звезды. Солнце движет воздушные массы, от него зависят климат и погода. Оно заставляет воды океана испаряться, а затем выпадать в виде дождя. Оно кормит нас, ибо солнечный свет поглощают растения.
Солнце – одна из 100 млрд. звезд Млечного Пути. В Солнце могло бы поместиться 1300 тыс. таких планет, как паша Земля. Мощность Солнца потрясает воображение. За одну секунду это светило излучает больше энергии, чем ее потребили люди с начала своей цивилизации. Всего только за три дня Солнце приносит нам столько тепла и света, сколько можно было бы получить, если сжечь все земные запасы газа, нефти, угля и все леса на Земле. И тем не менее Земля получает только около одной двухмиллиардной доли энергии, излучаемой Солнцем в космическое пространство.
По предложенному советским физиком академиком Бруно Понтекорво нейтринному методу американский ученый Деви установил, что в ядре Солнца, на глубине примерно 700 тыс. км от его короны, температура плазмы равна приблизительно 16 млн. градусам, а давление - 100 млрд. ат. Хотя Солнце газообразное тело, плотность плазмы его ядра в 11,5 раза больше, чем плотность твердого свинца. Один американский ученый подсчитал, что булавочная головка из материала, нагретого до температуры солнечного ядра, выделяла бы достаточно тепла, чтобы убить человека с расстояния 160 км.
Ученые уже давно пришли к выводу, что Солнце не просто пылает, подобно гигантскому шару из каменного угля. Если бы там происходило обыкновенное химическое сгорание, оно сгорело бы за несколько тысяч лет и "превратилось в холодную золу. Астрофизики установили, что пожар в звездных недрах поддерживает ядерная энергия. Ни один из других известных людям процессов не мог бы столь длительное время обеспечивать излучение энергии. Глубоко внутри Солнца вот уже 5 млрд. лет 564 млн. т водорода ежесекундно превращаются в 560 млн. т гелия. Остальные 4 млн. т переходят в энергию и излучаются в виде тепла и света в околосолнечное пространство.
При этом Солнцем излучается не только электромагнитная энергия (солнечный свет), но и нейтрино - частицы, лишенные массы и электрического заряда. Для ученых нейтрино - основной источник информации о составе и температуре солнечных недр. Нейтрино заставили некоторых астрофизиков поставить под сомнение термоядерную модель Солнца, так как в солнечных излучениях этих частиц оказалось в 5 раз меньше, чем должно быть согласно теории.
В связи с этим появились новые гипотезы об источниках солнечной энергии. Так, профессор Ленинградского физико-технического института имени А. Ф. Иоффе АН СССР Г. Е. Кочаров предположил, что водород не единственное и не главное горючее солнечного термоядерного котла. В модели Солнца, созданной Г. Е. Кочаровым, на эту роль претендует изотоп гелия - гелий-3. Такая гипотеза, по мнению автора, способна "оправдать" недостаток излучаемых Солнцем нейтрино. Новая модель Солнца в недалеком будущем пройдет проверку в лабораториях.
Многие ученые научно обосновывают теорию звездного "термояда". В 1976 г. академик А. Б. Северный с группой сотрудников Крымской астрофизической обсерватории завершил трехлетний цикл исследований строения Солнца. Было установлено неизвестное ранее явление пульсации Солнца. Период его "дыхания" 2 ч 20 мин, амплитуда колебаний около 10 км, скорость передвижения массы при пульсации 2 м/с.
"Мы, - говорит А. Б. Северный, - вели наблюдения с помощью башенного солнечного телескопа и включенных параллельно с ним специальных устройств – магнитографов, которые дали нам возможность с высокой точностью проследить изменения в движении масс, слагающих Солнце.
Открытие четких периодов пульсации Солнца, подтвержденное учеными Бирмингемского университета, которые вели наблюдения по другой методике, позволит вплотную подойти к проблеме изучения характера пульсаций. К сожалению, пока мы располагаем немногими гипотезами относительно этого характера, правда довольно оригинальными. Главный вопрос состоит в том, чтобы узнать, в каком направлении идут пульсации - от центра к краям или нерадиально. Если подтвердится гипотеза о последнем типе пульсаций, то придется пересмотреть многие существующие представления о Солнце, о его внутреннем строении, а также о механизме высвобождения солнечной энергии".
Данные о Солнце, получаемые наземными обсерваториями, сравниваются и дополняются ценной информацией, которую поставляют пилотируемые и автоматические космические летательные аппараты, позволившие выносить лаборатории на далекие орбиты, ставить эксперименты, немыслимые в земных условиях.
Например, орбитальная станция "Салют-4" оказалась форпостом для наблюдения далеких миров, изучения многих пока еще загадочных процессов в природе. О результатах исследований Солнца с помощью уникальной аппаратуры, установленной на "Салюте-4", рассказывает доктор физико-математических наук Н. В. Стешенко:
- "Наземные методы позволяют наблюдать только сравнительно прохладные области нашего светила, а ученых интересуют и другие солнечные слои, температура которых лежит в интервале от десятков тысяч до миллионов градусов. Это относится как к флоккулам (возмущенные участки с повышенной температурой), так и к протуберанцам (районы выброса газов из солнечной поверхности).
- Более 50 спектров флоккул и протуберанцев – научный багаж первой экспедиции на "Салют-4". Спектры очень четкие, на них хорошо прослеживаются линии ионизованных атомов азота, железа, других химических элементов. Щедрый "солнечный урожай" доставила вторая экспедиция на орбитальную станцию. На солнечном диске были зафиксированы яркие области, сопутствующие появлению вспышки. Получены уникальные снимки, которые помогут в решении актуальных проблем физики Солнца".
Не так давно большинство астрономов считало, что Солнечная система образовалась в результате близкого прохождения Солнца мимо другой звезды, грандиозная гравитационная сила которой оторвала от него куски вещества. Согласно новейшим взглядам, развиваемым, в частности, академиком В. А. Амбарцумяном и другими астрофизиками, Солнце и планеты сконденсировались из огромного турбулентного облака газа и пыли. Благодаря собственной громадной гравитационной энергии Солнце постепенно разогревалось. С течением времени эта протозвезда ярко засияла, и температура ее ядра поднялась до миллионов градусов. Водородные ядра, приводимые в движение огромной тепловой энергией, сталкивались с силой, при которой стала возможна реакция термоядерного синтеза, и уже не столько гравитационная, сколько ядерная энергия сделалась основой раскаленного состояния звезды.
За последние 5 млрд. лет содержание водорода в ядре Солнца сократилось с двух третей до одной. Температура вещества повысилась, и Солнце стало на 5% больше в диаметре и на 25% увеличило яркость. Большинство звезд следует этому направлению эволюции.
В настоящее время Солнце – это обычная желтая звезда, по уровню эволюционного развития находящаяся где-то посередине между самыми маленькими и крупными и самыми горячими голубыми и остывшими красными звездами. Земному наблюдателю Солнце кажется в 100 млрд. раз более ярким, чем любая другая звезда, хотя рядом с самыми яркими звездами Солнце выглядело бы весьма невзрачно. Звезда Ригель, например, в 15 тыс. раз более яркая, а в звезде Антарес, красном сверхгиганте, поместилось бы 36 млн. Солнц.
Наше Солнце, как доказывают астрофизики, - звезда второго поколения. Об этом свидетельствует то, что оно содержит большое количество тяжелых элементов, таких, как железо, которые не могли возникнуть при простом ядерном сгорании водорода, этого первородного материала Вселенной.
С точки зрения атомной физики ядерный синтез на Солнце идет в замедленном темпе. Некоторые ученые считают, что Солнце можно сравнить с очень медленно сгорающей водородной бомбой - ведь для столкновения и слияния двух водородных ядер там требуется в среднем около миллиона лет.
Радиоастрономия, которая родилась всего около 70 лет назад, дала науке еще одно эффективное средство изучения Вселенной, и в частности верхних слоев солнечной атмосферы.
В 1957-1958 гг., во время Международного геофизического года, ученые мира исследовали Солнце и Землю в условиях максимальной солнечной активности. В 1964 и 1965 гг., во время Международного года спокойного Солнца, оно исследовалось в противоположных условиях. Солнечная деятельность изменяется от активной к спокойной и снова к активной со средней цикличностью в 11 лет.
Ученые считают, что в "ядерной топке" Солнца фантастически горячий плотный газ черен как смоль, так как там действуют невидимые рентгеновские лучи, получающиеся в результате ядерных реакций. Путь рентгеновского луча, пробивающегося из сердцевины Солнца, зигзагообразен. Хотя он движется со скоростью света, равной 300 тыс. км/с, он доходит до поверхности Солнца почти за 20 тыс. лет. В течение этого срока рентгеновский луч постепенно изменяется. После каждого отклонения частота его колебаний уменьшается, а длина волны увеличивается. Со временем все рентгеновские лучи Солнца превращаются в ультрафиолетовые и видимые.
На расстоянии четверти радиуса от поверхности Солнца солнечная масса охлаждается до 150 тыс. градусов. Плотность ее падает до плотности воды. На расстоянии 170 тыс. км от поверхности Солнца солнечный газ начинает участвовать в конвективном движении, словно кипящая вода. Энергия передается в сторону поверхности турбулентными потоками горячего газа. Массы газа вовлекаются в хаотические перемещения, при этом каждый атом переносит запасенную им энергию. Наконец энергия, рожденная в недрах Солнца, достигает его поверхности. Здесь, в фотосфере, она снова преобразуется в излучение, которое уходит в космическое пространство.
Проанализировав спектральный состав солнечного света, долетевшего до нас с расстояния 150 млн. км, можно сказать, из чего "сделано" Солнце. В 1914 г. при спектральном анализе на Солнце было опознано около 70 из 92 химических элементов, встречающихся на Земле. За исключением огромного преобладания водорода и гелия, химический состав солнечного вещества существенно не отличается от состава земной коры.
С помощью коронографического телескопа, искусственно затемняющего солнечный диск, в солнечной короне можно наблюдать громадные столбы светящегося газа, часто вздымающиеся на сотни тысяч километров и снова погружающиеся в фотосферу. Солнечная корона - это не статичная атмосфера, окутывающая Солнце, подобно атмосфере Земли. Отсюда берет начало солнечный ветер, который дует в пространстве неизменно по направлению к Земле и к другим планетам.
Когда астрономы наблюдают Солнце в солнечный телескоп, край его кажется резко очерченным, как будто оно имеет отчетливо выраженную поверхность. В действительности эта кажущаяся поверхность - прозрачный, очень ярко светящийся слой газа толщиной около 300 км, так называемая фотосфера, о которой мы уже упоминали. Именно отсюда излучается большая часть света, получаемого нами от Солнца. На дне фотосферы газ настолько непрозрачен, что свет из глубин не может прорваться сквозь него. Таким образом, фотосфера - это тонкая яркая оболочка, окружающая солнечный шар, подобно тому как шелуха облегает луковицу. Снаружи этой оболочки располагаются две другие - область, где вспыхивают пламенные языки раскаленного газа, называемая хромосферой, и почти бескрайняя верхняя атмосфера - уже знакомая нам солнечная корона.
С поверхности Земли с помощью приборов можно непосредственно "видеть" только эти три слоя. В наземных обсерваториях регистрируются видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Приборы, установленные на спутниках и космических ракетах, кроме того, позволяют регистрировать ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. О том, что происходит в солнечных недрах, ученым приходится судить на основе тех явлений, которые разыгрываются в этих трех внешних слоях.
Наблюдаемые на Солнце пятна по форме напоминают воронку глубиной 600-800 км. В темной, центральной области пятна температура понижается до 4200°, тогда как температура окружающей его фотосферы равна 5700°. Наблюдая пятна, ученые установили, что Солнце вращается с востока на запад. Вращение это очень своеобразное. В отличие от твердой Земли Солнце вращается в разных широтах неодинаково: экваториальные области движутся быстрее, чем полярные. Этим в какой-то мере объясняется изменение конфигурации различных образований, возникающих на поверхности Солнца. Иногда в спокойные периоды она месяцами остается чистой. А во время максимума солнечной активности, как, например, в 1957 г., на Солнце появляется одновременно до 25 пятен.
Одно из самых давних косвенных свидетельств циклического характера солнечной активности - наблюдения за полярными сияниями, возникающими в результате бомбардировки верхней атмосферы солнечными лучами. В отличие от магнитных явлений (а они тоже результат повышенной активности Солнца), которые можно обнаружить только с помощью тонких инструментов, сполохи полярных сияний прекрасно видны. По полярным сияниям ученые па протяжении двух тысячелетий наблюдали повторяемость одиннадцатилетних циклов солнечной активности. С помощью спектроскопов были получены магнитные характеристики солнечных пятен. Оказалось, что напряженность магнитных полей там колоссальна. Магнитные поля солнечных пятен покрывают поверхность, равную удесятеренной поверхности земного шара. Понятно, что ими удерживается львиная доля энергии солнечной атмосферы.
Солнечные пятна, хромосферные факелы, протуберанцы – все эти впечатляющие следы процессов, идущих на Солнце, меркнут, если их сравнить с гигантскими взрывами, которые получили название солнечных вспышек. В период спокойного Солнца случается одна-две вспышки в году, а во время максимальной солнечной активности – десятки тысяч вспышек. Крупная вспышка - это колоссальное, длящееся около часа извержение, по мощи подобное взрыву миллиарда водородных бомб. Энергии, выделяющейся в ходе этого грозного явления, хватило бы для того, чтобы расплавить весь лед Арктики и Антарктиды. Она высвобождается в виде световых и всех других электромагнитных излучений – от рентгеновских и ультрафиолетовых лучей до инфракрасных лучей и радиоволн – и, кроме того, в виде протонов и электронов, разогнанных до скоростей, превышающих 150 тыс. км/с, и облаков ионизированного газа, движущихся со скоростью сотен километров в секунду.
С солнечными пятнами, со вспышками на Солнце связывают не только безопасность космических полетов. Предполагают, что этими явлениями объясняются погода, урожаи, число инфарктов, эпидемии и т. п. Разгадка тайн процессов, происходящих на Солнце, имеет самое непосредственное значение для Земли. Открыв законы жизни Солнца, люди научатся направлять его разрушительные силы на благо человечества.
"Исследованию природы Солнца современными физическими методами в моменты затмений, - рассказывает директор Абастуманской астрофизической обсерватории академик АН Грузинской ССР Е. К. Харадзе, – положено начало еще в середине прошлого века. Тогда было установлено, что хромосфера и корона - образования, непосредственно видимые лишь в немногие минуты полных затмений Солнца, – составляют внешний слой его атмосферы.
С тех пор стали снаряжать специальные экспедиции в районы, где проходили полосы полных затмений, ибо в каждом пункте земного шара такое событие случается весьма редко, в среднем один раз в 200-300 лет. Так, за восемь с лишним веков существования Москвы ее жители видели полное затмение всего 5 раз, а следующее произойдет здесь не раньше 2126 г. В Лондоне с 1140 по 1715 г., т. е. за 575 лет, не отмечено ни одного полного затмения. Впрочем, случаются исключения: в городе Кзыл-Орде Казахской ССР в 1940-х годах солнечные затмения наблюдали дважды за четыре года. Со всей же поверхности нашей планеты за столетие можно видеть около 240 полных и частичных солнечных затмений. Одна из главных целей научных наблюдений полных солнечных затмений - исследование строения и физических параметров солнечной короны".
19 июля 1975 г. в ходе совместного советско-американского научного эксперимента на космических кораблях "Союз-19" и "Аполлон" осуществлено впервые в истории человечества искусственное солнечное затмение. Оно было сфотографировано с борта советского космического корабля. В первый раз была реализована возможность экспериментальной проверки принципиально новой методики исследования солнечной короны и свойств среды, непосредственно окружающей космический корабль.