글리나 IV 체크. 1851년 데사우의 슈바베(Schwabe)는 태양 흑점의 수가 주기적으로 변한다는 사실을 발표했으며, 그 주기를 10년으로 정했다. 이 발견은 1857년 런던 천문학회에서 금메달을 수여받으면서 완전히 заслу된 인정을 받았다. 학회장은 이 자리에서 다음과 같이 말했다. “그는 12년 동안 자신의 호기심을 충족시켰고, 이후 6년 동안 인류의 호기심을 충족시켰다. 그리고 마침내, 지구의.”
태양 흑점이 규칙적으로 나타나고 사라진다는 사실은 그 자체로 매우 흥미로운 일이지만, 이는 더 큰 의미를 지닌다. 이는 태양 내부에서 일어나는 규칙적이고 주기적인 변화, 즉 아직 완전히 밝혀지지 않은 물리적·기계적 조건에 따른 변화가 있음을 암시하기 때문이다.
태양 흑점 관측 자료를 체계화한 사람은 취리히의 천문학자 R. 볼프(Rudolf Wolf, 1816~1893)였다. 그는 관측 자료를 분석하여 태양 활동의 주기를 더 정확하게 정할 수 있었다. 이 주기는 평균적으로 11년이었다. 또한 볼프는 이전 관측 자료를 바탕으로 흑점 수가 가장 많고 가장 적은 해(태양 활동의 극대기와 극소기)를 정했다. 볼프는 관측 결과를 ‘상대적 흑점 수’라고 명명하고, 각 관측일에 대해 다음과 같은 공식으로 계산했다. r = K(10g + f) 여기서 g는 특정 시점에서 관측된 흑점 그룹과 개별 흑점의 수, f는 해당 그룹과 개별 흑점에서 관측된 전체 흑점 수, K는 관측자와 관측 도구에 따라 달라지는 계수이다.
이 공식은 오늘날까지 사용되고 있지만, 태양 표면 상태를 완벽하게 표현하지는 못한다. 이 상태는 흑점 외에도 태양 표면의 거대한 현상들과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 흑점의 크기, 수, 성질, 태양 폭발과 프로투베란스, 플록쿨, 화염 등이다. 이 모든 현상은 평균 11년의 주기를 가지며, 개별적으로는 11년을 중심으로 ± 몇 년의 편차를 보인다. 이 주기는 가장 두드러지게 나타나며, 이 덕분에 흑점 형성 과정의 곡선은 최대점과 최소점이 교대로 나타나는 파동 형태를 띤다.
이 11년 주기에서 한 최소점에서 다음 최소점까지를 하나의 완전한 사이클로 볼 때, 이 곡선은 상승과 하강이 점진적이지 않고 도약하는 형태로 나타난다. 다시 말해, 곡선은 최소점에서 최대점으로 올라가고 다시 최소점으로 내려갈 때 부드럽게 움직이지 않고 수많은 도약을 겪는다. 이 도약의 크기는 흑점 형성 과정이 강해질수록 커지며, 최대점에서 가장 큰 값을 보인다. 따라서 흑점 형성 과정의 파동 곡선은 뾰족한 산과 깊은 골짜기를 지닌 수많은 작은 파도로 이루어져 있다. 이 곡선은 멀리서 보면 사인파와 비슷해 보이지만, 자세히 보면 장티푸스 환자의 체온 변화나 반원 톱니 모양과 유사하다. 급격한 상승과 하강, 변동과 중단이 관찰되며, 이 모든 작은 요동이 모여 하나의 큰 11년 주기 태양 활동 사이클을 이룬다.
이 도약-톱니를 살펴보면, 이 사이클이 최소점에서 최대점으로 이동할수록 그 수와 높이가 점차 증가한다는 사실을 알 수 있다. 이는 흑점이 태양 표면에 더 자주, 더 많이 나타나고 더 오래 지속된다는 의미다. 따라서 사이클이 최소점에서 최대점으로 이동할수록 흑점에서 방출되는 에너지의 양도 점진적으로 증가한다. 이러한 흑점의 출현과 소멸의 도약이야말로 지구에서 흑점 형성에 따라 발생하는 다양한 현상의 원인일 것이다.
슈바베는 흑점의 강도와 수 변화에 근거해 최대점 사이의 간격이 10년이라고 생각했다. 라몬은 같은 값을 계산해 10.43년으로 얻었다. 볼프는 흑점 수의 변동 주기를 11.111년(±2.03년)으로 보았다. 찰스 영(Charles Young, 1834~1908)은 실제 흑점 형성 주기가 12~14년 사이로 колеблется한다고 생각했다. A. 볼퍼(A. Wolfer)는 평균 흑점 형성 주기를 11.124±0.030년으로, 사이먼 뉴컴(Simon Newcomb, 1835~1909)은 11.13년으로 보았다. 마지막으로 앨버트 마이컬슨(Albert Michelson, 1852~1931)은 이 주기를 11.4년 이상으로 보았고, 허버트 터너(Herbert Turner, 1861~1930)는 현재로서는 11.4년 주기라고 주장했다.
슈스터(Arthur Schuster)는 150년간의 흑점 자료를 조화 분석했으며, 그의 연구에 따르면 11.125년 주기 외에도 4.38년, 4.80년, 8.36년, 13.50년 등 보조 주기가 존재하며, 이 보조 주기들이 основного 주기에서 관찰되는 다양한 혼란의 원인이라고 밝혔다. 1750~1900년 사이의 11년 주기를 연구한 슈스터는 이 기간의 처음 75년 동안 이 주기가 9.25년과 13.75년으로 나뉘며, 전체 75년은 11.1년에 해당한다는 사실을 발견했다. 흥미롭게도 터너는 1841~1904년 그린위치 자기 관측 자료를 분석해 태양 흑점과 관련된 основного 주기 외에도 9.26년 보조 주기를 발견했다. 터너는 볼프와 볼퍼의 1610년부터의 자료를 재분석해 9.26년 주기를 찾지 못했지만, 대신 13년 주기를 확인했다. 이 주기는 강도가 약할 때도 뚜렷이 나타나며, Oppenheim은 1927년 볼프의 수치를 재분석해 흑점 수의 변화 곡선이 다음과 같은 함수로 표현된다는 사실을 밝혔다. r = C + C2 cos [φ1 + λxm – cos (mφ1 – εm), φ = 360°/П, 25iV = 360° / 450. Таким чином, плямоутворення є явищем дуже складним. Лише в середньому один період дорівнює 11 рокам. На с. 7. Середні широти Сонця (пунктирна крива ч) і середні площі плям (червона крива) з 1854 по 1912 р. На початку кожного нового сонячного циклу після мінімуму плями з’являються в найвищих широтах, в яких вони взагалі можуть зустрічатися, тобто за «законом Швабе» збільшення кількості плям від мінімуму до максимуму зона максимуму іншої частоти плям зміщується до сонячного екватора аж до ±30° широти, де плями остаточно згасають до мінімуму. Після настання мінімуму явища повторюються в колишньому порядку (за Шперером).
Тривалість періоду дорівнює 11 рокам. Насправді ж тривалість його досягає іноді 17 років, а іноді лише 7. Також дуже суттєвим явищем у циклічному ході кількості сонячних плям необхідно визнати те, що назрівання максимуму, період його та його занепад не становлять щоразу чогось строго певного, а поступово варіюються внаслідок ще невідомих нам причин. Тож у справі визначення й передбачення будь-якої певної точки періоду слід бути надзвичайно обачним. Переломи в сонцедіяльності, що знаменують собою точки найвищого підйому та найменшого падіння, можуть бути визначені лише через кілька місяців, а іноді рік і більше шляхом звірення з даними про сонцедіяльність за більш-менш тривалий термін. Доступний поки що нам прогноз щодо визначення 11-річного циклу може бути даний лише з точністю 1–2 років, але і це в деяких випадках може вже дуже багато значити.
Крім спроб відкрити малі цикли сонцедіяльності, були зроблені дослідження з метою визначити, чи немає в сонцедіяльності й великих періодів. Ще Меран у 1746 р., коли про періоди нічого не було відомо, вказав на можливе існування великих періодів у сонцедіяльності. Пізніше ту саму думку розділяв Луміс. Вольф намагався знайти такий період, визначаючи його в 55,5 року. Юнг припустив, що існує коливання в 60 років, яке приєднується до основного коливання в 11 років. А. Ганський визначив такі у 72 роки. М. Лок’єр знайшов у сонцедіяльності період 35 років, а Шустер обчислив за допомогою методу періодограм цикли третини століття, рівні 33,375. До встановлення 33-річного періоду у діяльності Сонця прийшов і Ліцнар. Нарешті, Тернер знайшов можливим зробити висновок про існування тривалого періоду в 266 років. На думку цього вченого, кожні 266 років має місце великий максимум діяльності Сонця.
Вольф у 1889 р. на підставі даних китайських середньовічних літописів про північні сяйва виділив кілька дат, які могли бути датами великих максимумів у сонцедіяльності. Вихори сонячних бур. Це були роки: 372, 840, 1078, 1337 і 1372. Грунтуючись на роках 372 і 1372, в яких, згідно з його припущенням, мала місце особливо сильна напруженість діяльності Сонця, Вольф обчислив ряд великих періодів, а саме 88,33 та 66,67 року. Потім Вольф доклав ці цифри послідовно до 372 р., отримавши таким чином таблицю дат великих максимумів сонячної діяльності. Втім, зараз дати, намічені Вольфом, можна заперечувати.
Але що таке плями? Чи розгадано в наші дні їхній «великий секрет», за словами Галілея? Можливо, ще немає, але й те, що нам стало відомо про плями і їхню природу за останні роки, достатньо для того, щоб скласти собі уявлення про велике значення сонячних плям для життя Землі.
Над розгадкою природи сонячних плям билося чимало визначних умів. Перші спостерігачі гадали, що плями — це планети, найближчі супутники Сонця, що проходять біля його поверхні. Ця помилкова уява була зруйнована Галілеєм, який у свою чергу думав, що плями — хмари, що плавають у сонячній атмосфері. Дергем вважав, що ці хмари походять від виверження сонячних вулканів. Ж. Лаланд приймав їх за вершини сонячних гір, що виступають серед океану вогню над поверхнею острова, що світиться, який лежить на центральному твердому ядрі Сонця. В. Гершель вважав, що плями — тимчасові отвори в хмарах, через які ми можемо бачити темну поверхню. Матеріалом, яким можна судити з відомим ступенем достовірності про епохи діяльності Сонця, є літописні записи про північні сяйва. Останні, як встановлено, у відомих широтах мають місце переважно тоді, коли Сонце переживає епоху максимуму. Іншими даними є великі сонячні плями, видимі неозброєним оком в епохи максимумів і відзначені літописцями (головним чином китайцями). Цей матеріал був розкиданий літописними склепіннями і хроніками різних народів.
Систематизація даного матеріалу належить німецькому вченому Г. Фріцу, який вперше в 1893 р. опрацював літописні дані про північні сяйва, про сонячні плями, видимі неозброєним оком, про градобиття і врожаї. Через 25 років аналогічна робота була виконана Д. О. Святським у Росії. У його роботі було взято до уваги й російські літописи.
Його син Д. Гершель дав плямам таке пояснення: плями суть величезні вихори, що сходять через атмосферу. Свого часу, починаючи з 1868 р., між собою змагалися дві теорії: теорія абата А. Секкі і теорія Е. Фая. Перший в основу своєї теорії поклав гіпотезу про сонячні виверження. Другою основою плямоутворення вважав сонячні бурі, а саму структуру плям — вихроподібною. Ця вихідна точка зору зберігає свою силу дотепер.
Теорія Фая полягає в тому, що внаслідок відносного руху суміжних частин фотосфери утворюються круговороти, які перетворюються на циклони і вихори, подібні до тих вир, які відбуваються, коли швидка течія зустрічає на шляху перешкоди. Такі вири мають вигляд воронок, в яких тіло і повітря, що плавають, захоплюються в глибину. Подібним чином, як тоді припускав Фай, відбуваються земні циклони і торнадо. Вони починаються зверху і спускаються в атмосферу дедалі нижче, поки вершина вихору не досягне Землі. Подібного роду, але тільки колосальні вихори становлять, на думку Фая, сутність сонячної плями.
Одним із заперечень, спрямованих проти теорії Фая, було таке: якщо плями — вихори, то вони повинні виявити вихровий рух. Крім того, всі плями на північ від екватора повинні обертатися в тому самому напрямку, проти годинникової стрілки, якщо дивитися з Землі; плями ж південної півкулі Сонця повинні обертатися у протилежному напрямку, подібно до земних циклонів. Досліджуючи це питання, астрономи помітили, що лише незначний відсоток плям виявляє сліди вихрового руху і часто різні члени однієї групи плям, навіть різні частини однієї й тієї самої плями, обертаються в протилежних напрямках. У той час ці спостереження могли лише похитнути теорію Фая, а тим часом вони саме й є найкращим доказом правоти його принципу про вихрову структуру плям.
На допомогу теорії Фая прийшли електричні теорії плям. Гарячими захисниками вихрової теорії плям з’явилися Рейє та Гельм. Однак для остаточного визнання її не вистачало ясності у деяких деталях. Лише після чудової роботи американського вченого Дж. Хейла, що вийшла 1908 р., більшість астрономів повернулося до вихрової теорії. Нарешті, наступного року Хейл отримав можливість на основі численних досліджень дійти висновку, що сонячні плями «суть, мабуть, електричні вихори».
Блискучі роботи Хейла започаткували цілу низку чудових розвідок про природу плям, зроблених у Сонячній обсерваторії на горі Вільсон у Каліфорнії, а також в інших обсерваторіях, що займаються вивченням Сонця. Теорія Хейла знайшла собі серед астрономів багато гарячих прихильників, тим більше, що вона щодня отримувала все нові й нові підтвердження.
Мал. 8. Сонячний протуберанець заввишки 235 000 км. Знімок зроблений 7 липня 1917 в обсерваторії Mount Wilson. Білий диск – порівняльні розміри Землі
Таким чином, сонячні плями слід розглядати як вихори, подібні до смерчів на морі, з лійкоподібними розширеннями на вершині. Рух речовини в таких вихорах відбувається знизу вгору, утворюючи висхідний вихор. Швидкість руху речовини досягає величезних величин, і гази, що несуть у вихорі, охолоджуються внаслідок їх швидкого розширення в міру наближення до вершини вихору. Вершини вихору, що досягли, охолоджені гази рухаються по спіралі швидко збільшуються радіусів. Те, що ми бачимо у формі плями, є лише вершина, кінець, вихор, відлуння грандіозних процесів, що протікають у областях, недоступних нашому дослідженню.
Безперечно, існує причина, що змушує гази з надр Сонця текти нагору. Там, у нижніх ярусах сонячної кулі, ховається космічна сила, що рухає весь цей складний і величезний смерч, що носить скромну назву сонячної плями. Причина, що викликає вихрові рухи фотосферної матерії, досі не може вважатися твердо встановленою. У цьому напрямі є поки що припущення більш-менш обгрунтовані. Можливо, найближчою причиною слід вважати сильне нагрівання речовини на глибині? Тоді, стаючи легшим, як повітря в димарі, воно піднімається вгору. По дорозі внаслідок підняття гази остигають і виходять на поверхню холоднішими, хоча спочатку вони були сильно нагріті. З цього випливає, що в нижньому ярусі, де відбувається зародження явища, має панувати дуже висока температура.
Справді, у той час як поблизу поверхні Сонця температура не перевищує 6000°, в центральних шарах вона сягає приблизно 12 000 000°. За розрахунками Р. Емдена, центральна температура Сонця дорівнює 31 500 000°. Г. Рессель показав, що більшість зірок має в центрі температуру, дуже близьку до 32 000 000°. Причина такого нагрівання в нижніх шарах Сонця залишається поки що нерозв’язною загадкою. Ця загадка ще більше стає незрозумілою, якщо ми приймемо до уваги, що плями з’являються в певних частинах сонячної поверхні і лише в сонячних поверхнях і тільки в сонячних поверхнях.
Перед цим ураганом наші бурі, що змітають дерева і будинки, — невідчутні подихи зефіру. Ще в 1892 р. Юнг, досліджуючи спектроскопічно випромінювання сонячних плям, відкрив чудове явище, а саме: багато спектральних ліній сонячних плям виявилися подвійними, тоді як спектр решти
