Глина IV чек. в 1851 г. Швабе (Schwabe) в Дессау объявил о том, что изменения в числе солнечных пятен наступают пери- одически, причем определил период, равный 10 годам. Упомянутое открытие Швабе получило вполне за- служенное признание в 1857 г., когда ему была присуж- дена золотая медаль Лондонского астрономического об- щества. Президент сказал в своей речи по этому случаю: "Двенадцать лет он [Швабе] потратил на удовлетворе- ние своих собственных интересов, шесть следующих лет на удовлетворение интересов человечества и, наконец, Р и с 3. Угол положения солнечной оси и вид солнечного экваторе Красной линией обозначена зона наибольшей частоты появления солнечных пятен. На экваторе пятна появляются редко. Рис. 4. Кривая Вольфа Вольфера. Периодическая деятельность Солнца с 1749 по 1936 г. {по данным астрономической обсерватории в Цюрихе) Вихри солнечных бурь 67 еще тринадцать лет на убеждение человечества. В тече- ние тридцати лет Солнце никогда не появлялось над горизонтом Дессау без того, чтобы Швабе не направил на него свой неизменный телескоп, а это происходило, по-видимому, в среднем дней 300 в году. Я считаю, что здесь мы имеем пример преданной настойчивости, не имеющей себе равной в истории астрономии. Настой- чивость одного человека привела его к открытию явле- ния, существование которого даже не подозревалось астрономами в течение целых двух столетий". То, что солнечные пятна появляются и исчезают довольно регулярно, само по себе в самом деле весьма интересно, но это означает и нечто большее, так как, очевидно, указывает на наличие некоторых изменений внутри Солнца, регулярных и периодических по харак- теру, зависящих от физических и механических условий, которые еще не вполне разъяснены. Систематизацией наблюдений за солнечными пятна- ми, накопленных за два с половиною столетия, занял- ся цюрихский астроном Р. Вольф (Rudolf Wolf, 1816 - 1893 гг.). Путем обработки всего оставленного наблю- дателями материала он получил возможность прийти к установлению более точного периода солнцедеятельно- сти. Этот период оказался равным в среднем ариф- метическом одиннадцати годам1. В то же время Вольф определил годы максимального и мини- мального количества пятен - максимумы и минимумы солнцедеятельности - за весь предыдущий период на- блюдений. Числа, полученные в результате обработки наблюдений, он называл относительными - г - и оп- ределял их для каждого дня наблюдений по формуле г = К (lOg+f). где g означает число наблюдений групп и отдельных пятен в определенный момент времени, /- полное число пятен, подсчитанных в этих группах и отдельно, К - коэффициент, зависящий от наблюдателя и его трубы. Этой формулой пользуются и до сих пор, хотя, конечно, она не позволяет выразить с совершенной точностью состояние солнечной поверхности2. Это состояние определяется еще целым рядом других грандиозных образований, так или иначе связанных с 68 пятнами: величиной, числом и характером солнечных извержений и протуберанцев, флоккул, факелов и т. д. Рассматривая ход периодической пятнообразователь- ной деятельности, выраженный графически в виде кри- вой, мы замечаем следующее: прежде всего бросаются в глаза основные волны хода кривой - это основные циклы деятельности Солнца, равные в среднем арифме- тическом 11 годам, но с индивидуальными уклонениями от 11 лет в ту или иную сторону. Эти главные циклы солнцедеятельности выделяются рельефнее всего, и бла- годаря им ход кривой пятнообразовательного процесса принимает волнообразный характер с постепенным че- редованием точек максимумов и минимумов. Выбрав любой из этих циклов от точки минимума до точки следующего минимума, мы будем иметь одну волну - один полный цикл солнцедеятельности, рав- ный, допустим, 11 годам. Рассматривая ход этого цик- ла, мы заметим, что нарастание максимума происходит не постепенно, а скачками. Иными словами, кривая от U 11 20 30 9 19 29 10 J0 30 9 19 29 9 19 29 8 18 28 8 18 28 7 17 27 6 16 26 6 16 26 5 15 2S 5 15 28 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Рис. 6. Кривая пятнообразовательного процесса по пятидневным перио- дам в год максимума - 1928 (по Внльферу) Рис. 5. Кривая пятнообразовательного процесса пи пятидневным перио- дам в год минимума - 1923 (по Вояьферу) Вихри солнечных бурь 4Q точки минимума поднимается вверх до точки максимума и снова опускается вниз до точки минимума н е плавно, а претерпевая многочисленный ряд скач- ков сверху вниз и снизу вверх. Размеры этих скачков по мере усиления пятнообразовательного процесса все ра- стут и растут и в момент максимума достигают своих наивысших значений. Таким образом, ход волнообразной кривой пятнооб- разовательного процесса изрыт большим числом мелких волн с острыми зубцами наверху и глубокими, не менее иногда острыми, впадинами внизу. Из рассмотрения кривой пятнообразования видно, что она лишь отдаленно напоминает синусоиду. В де- талях эта кривая похожа на суточный ход темпера- туры тифозного больного, подобный зубьям полукруг- лой пилы. Здесь наблюдаются резкие подъемы и паде- ния, сдвиги и перебои. Все это мелкие колебания, из которых составляется одно большое - 11-летний цикл солнцедеятельности. Из рассмотрения этих скачков- зубьев легко, однако, увидеть, что все они по мере движения цикла от минимума к максимуму постепенно возрастают в числе и высоте; это значит, что пятна возникают на поверхности Солнца, все чаще и чаще появляясь в большем количестве и имея большую про- должительность жизни. Следовательно, и количество излучаемой ими энергии по мере движения цикла от минимума к максимуму также постепенно возрастает путем скачков. Эти скачки в появлении и исчезновении пятен, по-видимому, и являются виновниками многих эффектов, которые развиваются на Земле в зависимости от пятнообразования3. Основываясь на изменениях в интенсивности и коли- честве солнечных пятен, еще Швабе, как мы видели, полагал, что промежуток времени между максимумами равен 10 годам. Ламон вычислил ту же величину и получил для нее значение, равное 10,43 года. Вольф период колебаний числа пятен считал равным 11,111 года со средней изменчивостью ±2,03 года. Ч. Юнг (Joung, 1834-1908 гг.) полагал, что истинный цикл пятнообра- зования колеблется в пределах 12-14 лет. А. Вольфер (A. Wolfer) считает, что в среднем период пятнообра- зования равен 11,124±0,030 года. С. Ньюкомб (S. New- comb. 1835-1909 гг.) принял его за 11,13 года. Наконец, 70 Глава IV Майкельсон (A. Michelson. 1852-1931 гг.) склоняется признать период выше 11,4, но Г. Тернер (H.Turner, 1861-1930 гг.) полагает, что в настоящий момент мож- но говорить лишь о периоде в 11,4 года. Шустер подверг гармоническому анализу цифровой материал о пятнах за 150 лет. Согласно его исследованию, рядом с циклом в 11,125 года идет серия вторичных периодов, последо- вательное вступление которых и является причиной раз- личных нарушений, наблюдаемых в основном периоде. Эти второстепенные периоды имеют величины в 4,38, 4,80, 8,36, 13,50 года. Исследуя вопрос об 11-летнем периоде за время 1750 - 1900 гг., Шустер нашел, что в первые 75 лет этот период разбивается на два: в 9,25 года и в 13,75 года, а в общем итоге за 75 лет он равен 11,1 года. Интересно отметить, что Тернер проделал обработку гринвичских магнитных наблюдений за период с 1841 по 1904 г., причем обнаружил, что кроме основного перио- да, связанного с солнечными пятнами, существует еще Вихри солнечных бурь 71 вторичный период в 9,26 года. Желая открыть тот же период в солнцедеятельности, Тернер предпринял пере- работку всех данных Вольфа и Вольфера начиная с 1610 года. Не найдя периодов в 9,26 года, Тернер установил, однако, наличие солнцедеятельности другого периода, а именно в 13. лет. Период этот отличается тем свой- ством, что при небольшой интенсивности достаточно хорошо выражен. Наконец, Оппенгейм в '927 г. подверг числа Вольфа новому анализу и нашел, что кривая их хода выражается следующей функцией: г = С, + С2 cos [ф1 + I.xm - cos (тф1 - ет)\, Ф = 360°/П,25и V = 360°/450. Таким образом, пятнообразование представляет собою явление очень сложное. Только в среднем один пе - Р и с. 7. Средние широты Солнца (пунктирная крива ч) и средние пло- щади пятен (красная кривая) с 1854 по 1912 г. В начам каждого нового солнечного цикла после ми- нимума пятна появляются в наи- высших широтах, в которых они вообще могут встречаться, т. е. около +.30°. По "лере увеличения количества пятен от минимума к максимуму зона максима иной частоты пятен смещается к сол- нечному экватору вплоть до ±30" широты, где пятна окончательно затухают к минимуму. После на- ступления мини пума явления по- вторяются в прежнем порядке (по Spoerer) 72 Глава IV риод равняется 11 годам. В действи- тельности же продолжительность его достигает иногда 17 лет, а иногда лишь 7. Также весьма существенным явлением в цик- лическом ходе количества солнечных пятен необходимо признать то, что назревание максимума, период его и его упадок не представляют всякий раз чего-либо строго определенного, а постепенно варьируются вследствие еше неизвестных нам причин. Поэтому в деле определения и тем более предвидения какой-либо определенной точки периода следует быть чрезвычайно осмотрительным. Переломы в солнцедеятельности, знаменующие собою точки наивысшего подъема и наименьшего падения, могут быть определены лишь спустя несколько месяцев, а иногда год и более путем сличения с данными о солнце- деятельности за более или менее продолжительный срок. Доступный пока нам прогноз в отношении определения 11-летнего цикла может быть дан лишь с точностью 1-2 лет, но и это в некоторых случаях может уже очень много значить4. Помимо попыток открыть малые циклы солнцедея- тельности были сделаны изыскания с целью определить, нет ли в солнцедеятельности и больших периодов. Еще Меран в 1746 г., когда о периодах ничего не было известно, указал на возможное существование больших периодов в солнцедеятельности. Позже ту же мысль разделял Лумис (Loomis). Вольф пытался отыскать таковой период, определяя его в 55,5 года. Юнг пред- положил, что существует колебание в 60 лет, присое- диняющееся к основному колебанию в 11 лет. А. Ганский определил таковые в 72 года. Н. Локьер (N. Lockyer) нашел в солнцедеятельности период в 35 лет, а Шустер вычислил при помощи метода периодограмм циклы трети века, равные 33,375. К установлению 33-летнего периода в деятельности Солнца пришел и Лицнар. На- конец, Тернер нашел возможным заключить о сущест- вовании долгого периода в 266 лет. По мнению этого ученого, каждые 266 лет имеет место большой макси- мум деятельности Солнца. Вольф в 1889 г. на основании данных китайских средневековых летописей о северных сияниях выделил несколько дат, которые могли быть датами больших максимумов в солнцедеятельности. Вихри солнечных бурь 73 Это были годы: 372, 840, 1078, ПЗЗ и 1372. Основываясь на годах 372 и 1372, в которых, соглас- но его предположению, имела место особенно сильная напряженность деятельности Солнца, Вольф вычислил ряд больших периодов, вмещающих в себе 11-летний период, а именно периоды в 88,33 и 66,67 года. Затем Вольф приложил эти цифры последовательно к 372 г., получив, таким образом, таблицу дат больших макси- мумов солнечной деятельности. Впрочем, в настоящий момент даты, намеченные Вольфом, можно оспаривать . Но что такое пятна? Разгадан ли в наши дни их "великий секрет", по выражению Галилея? Может быть, еще нет, но и то, что нам стало известно о пятнах' и их природе за последние годы, достаточно для того, чтобы составить себе представление о великом значении солнечных пятен для жизни Земли. Над разгадкой природы солнечных пятен билось немало выдающихся умов. Первые наблюдатели пола- гали, что пятна - это планеты, ближайшие спутники Солнца, проходящие близ его поверхности. Это ложное представление было разрушено Галилеем, который в свою очередь думал, что пятна - облака, плавающие в солнечной атмосфере. Дергем считал, что эти облака происходят от извержения солнечных вулканов. Ж. Ла- ланд принимал их за вершины солнечных гор, высту- пающие среди океана огня над светящейся поверхностью острова, лежащего на центральном твердом ядре Солн- ца. В. Гершель полагал, что пятна - временные отвер- стия в облаках, через которые мы можем видеть тем- * В дальнейшем нам придется столкнуться с вопросом о том, как распределяются даты максимальной деятельности Солнца за историче- ский период времени. Материалом, по которому можно судить с известной степенью достоверности об эпохах деятельности Солнца, являются летописные записи о северных сияниях. Последние, как установлено, в известных широтах имеют место главным образом тогда, когда Солнце переживает эпоху максимума. Другими данными служат большие солнечные пятна, видимые невооруженным глазом в эпохи максимумов и отмеченные летописцами (главным образом китайцами). Этот материал был разбросан по летописным сводам и хроникам различных народов. Систематизация данного материала принадлежит немецкому ученому Г. Фрицу (Н. Fritz), который впервые в 1893 г. проработал летописные данные о северных сияниях, о солнечных пятнах, видимых невооруженным глазом, о градобитиях и урожаях. Через 25 лет аналогичная работа была выполнена Д. О. Святским в России. В его работе были приняты во внимание и русские летописи. 14 Глава IV ную поверхность центрального ядра - шара. Его сын Д. Гершель дал пятнам следующее объяснение: пятна суть громадные вихри, нисходящие через атмосферу. В свое время, начиная с 1868 г., между собою со- перничали две теории: теория аббата А. Секки и теория Э. Фая. Первый в основу своей теории положил гипотезу о солнечных извержениях. Второй основой пятнообра- зования считал солнечные бури, а самую структуру пятен - вихреобразной. Эта исходная точка зрения со- храняет свою силу до настоящего времени. Теория Фая заключается в том, что вследствие относительного дви- жения смежных частей фотосферы образуются кругово- роты, которые превращаются в циклоны и вихри, по- добные тем водоворотам, которые происходят, когда быстрое течение встречает на пути препятствия. Такого рода водовороты имеют вид воронок, в которых пла- вающие тела и воздух увлекаются в глубину. Подобным же образом, как тогда предполагал Фай, происходят земные циклоны и торнадо. Они начинаются сверху и спускаются в атмосферу все ниже и ниже, пока вершина вихря не достигнет Земли. Подобного рода, но только колоссальные вихри и составляют, по мнению Фая, сущность солнечного пятна. Одним из возражений, на- правленных против теории Фая, было следующее: если пятна - вихри, то они должны обнаружить вихревое движение. Кроме того, все пятна к северу от экватора должны вращаться в одном и том же направлении, против часовой стрелки, если смотреть с Земли; пятна же южного полушария Солнца должны вращаться в про- тивоположном направлении подобно земным циклонам. Исследуя этот вопрос, астрономы заметили, что лишь незначительный процент пятен обнаруживает следы вих- ревого движения и часто различные члены одной группы пятен, даже различные части одного и того же пятна, вращаются в противоположных направлениях. В то время эти наблюдения могли лишь поколебать теорию Фая, а между тем они именно и являются лучшим доказательством правоты его принципа о вих- ревой структуре пятен. На помощь теории Фая пришли электрические теории пятен. Горячими защитниками вихревой теории пятен яви- лись Рейе и Хельм. Однако для окончательного при- знания ее не хватало ясности в некоторых деталях. Лишь Вихри солнечных бурь 75 после замечательной работы американского ученого Дж. Хэйла (D. Hale), вышедшей в 1908 г., большинство астрономов вернулось к вихревой теории. Наконец, в следующем году Хэйл получил возможность на основа- нии многочисленных исследований прийти к заключе- нию, что солнечные пятна "суть, по-видимому, электри- ческие вихри". Блестящие работы Хэйла положили ос- нование целому ряду замечательных изысканий о при- роде пятен, предпринятых в Солнечной обсерватории на горе Вильсон в Калифорнии, а равно и в других обсер- ваториях, занимающихся изучением .Солнца. Теория Хэйла нашла себе среди астрономов много горячих сторонников, тем более что она ежедневно получала все новые и новые подтверждения. Рис. 8. Солнечный протуберанец высотою 235 000 км. Снимок сделан 7 июля 1917 г. в обсерватории Mount Wilson. Белый диск - сравнительные размеры Земли 76 Глава IУ Таким образом, солнечные пятна следует рассмат- ривать как вихри, подобные смерчам на море, с ворон- кообразными расширениями на вершине. Движение ве- щества в таких вихрях совершается снизу вверх, образуя восходящий вихрь. Скорость движения вещества дости- гает огромных величин, и несущиеся в вихре газы охлаждаются вследствие их быстрого расширения по мере приближения к вершине вихря. Достигшие вершины вихря охлажденные газы двигаются по спирали быстро увеличивающихся радиусов. То, что мы видим в форме пятна, есть лишь вершина, конец, вихря, отголосок грандиозных процессов, протекающих в областях, недо- ступных нашему исследованию. Несомненно, существует причина, заставляющая газы из недр Солнца течь на- верх. Там, в нижних ярусах солнечного шара, скрывается космическая сила, приводящая в движение весь этот сложный и громадный смерч, носящий скромное назва- ние солнечного пятна. Причина, вызывающая вихревые движения фото- сферной материи, до сих пор не может считаться твердо установленной. В этом направлении имеются пока лишь предположения более или менее обоснованные. Быть может, ближайшею причиной следует считать сильное нагревание вещества на глубине? Тогда, становясь более легким, как воздух в дымовой трубе, оно поднимается вверх. По пути вследствие поднятия газы остывают и выходят на поверхность более холодными, хотя перво- начально они были сильно нагреты. Из этого следует, что в пределах нижнего яруса, где происходит зарож- дение явления, должна господствовать очень высокая температура. Действительно, в то время как вблизи поверхности Солнца температура не превышает 6000°, в центральных слоях она доходит приблизительно до 12 000 000°. По расчетам Р. Эмдена, центральная тем- пература Солнца равна 31 500 000°. Г. Рессель показал, что большинство звезд имеет в центре температуру, очень близкую к 32 000 000"* Причина такого нагревания в нижних слоях Солнца остается пока что неразрешимой загадкой. Эта загадка еще более становится непонятной, если мы- примем во внимание, что пятна появляются в определенных частях солнечной поверхности и лишь в определенные годы. Самая пылкая фантазия человека не в силах пред- Вихри солнечных бурь 77 ставить себе всей величайшей мощности солнечного урагана. Перед этим ураганом наши бури, сметающие де- ревья и дома, - неощутимые дуновения зефира. В сол- нечном урагане, выражающемся появлением одного лишь пятна, могли бы, как пылинки, закружиться и бес- следно исчезнуть десятки земных шаров. Еще в 1892 г. Юнг, исследуя спектроскопически из- лучение солнечных пятен, открыл замечательное явле- ние, а именно: многие спектральные линии солнечных пятен оказались двойными, тогда как спектр остальной Рис. 9. Изменения магнитной полярности и средних широт солнечных пятен. Виден период магнитной полярности в 22,25 года (по Хэйлу) Рис. 10. Красная кривая - протуберанцы с 1910 по 1934 г. Пунктир- ная кривая - солнечные пятна за то же время (по В. Брюннеру)