W 1851 r. w Dessau Schwabe ogłosił, że zmiany w liczbie plam słonecznych następują okresowo, określając okres na 10 lat. To odkrycie Schwabego zostało w pełni docenione w 1857 r., kiedy to przyznano mu złoty medal Londyńskiego Towarzystwa Astronomicznego. Prezes powiedział wówczas w swoim przemówieniu: „Dwanaście lat poświęcił on [Schwabe] zaspokajaniu własnych zainteresowań, następne sześć — zaspokajaniu zainteresowań ludzkości, a wreszcie…”.
Kąt położenia osi słonecznej i widok słonecznego równika zaznaczono czerwoną linią. Na równiku plamy pojawiają się rzadko. Rys. 4. Krzywa Wolfa.
To, że plamy słoneczne pojawiają się i znikają dość regularnie, samo w sobie jest bardzo interesujące, ale oznacza to również coś więcej, gdyż wyraźnie wskazuje na występowanie pewnych zmian wewnątrz Słońca, regularnych i okresowych z natury, zależnych od fizycznych i mechanicznych warunków, które nie zostały jeszcze w pełni wyjaśnione.
Systematyzacją obserwacji plam słonecznych zgromadzonych przez dwa i pół stulecia zajął się zuryski astronom R. Wolf (Rudolf Wolf, 1816–1893 r.). Przetwarzając cały pozostawiony przez obserwatorów materiał, Wolfowi udało się ustalić bardziej precyzyjny okres aktywności słonecznej. Okres ten wynosił średnio 11 lat. Jednocześnie Wolf określił lata maksymalnej i minimalnej liczby plam — maksima i minima aktywności słonecznej — za cały poprzedni okres obserwacji. Liczby uzyskane w wyniku przetworzenia obserwacji nazwał względnymi — r — i określał je dla każdego dnia obserwacji według wzoru r = K (10g + f), gdzie g oznacza liczbę grup i pojedynczych plam obserwowanych w danym momencie, f — całkowitą liczbę plam policzonych w tych grupach i pojedynczo, K — współczynnik zależny od obserwatora i jego instrumentu.
Wzór ten stosowany jest do dziś, choć oczywiście nie pozwala on wyrazić z doskonałą dokładnością stanu powierzchni Słońca. Stan ten określany jest również przez cały szereg innych ogromnych tworów, w mniejszym lub większym stopniu powiązanych z plamami: wielkością, liczbą i charakterem wybuchów i protuberancji słonecznych, flokuł, pochodni itp. Krzywa ta — to główne cykle aktywności Słońca, wynoszące średnio 11 lat, lecz z indywidualnymi odchyleniami od 11 lat w jedną lub drugą stronę. Te główne cykle aktywności słonecznej wyróżniają się najwyraźniej i dzięki nim przebieg krzywej procesu tworzenia się plam przybiera charakter falisty z stopniowym następowaniem punktów maksimów i minimów.
Wybierając dowolny z tych cykli od punktu minimum do punktu następnego minimum, otrzymamy jedną falę — jeden pełny cykl aktywności słonecznej, wynoszący, powiedzmy, 11 lat. Przyglądając się przebiegowi tego cyklu, zauważymy, że narastanie maksimum następuje nie stopniowo, lecz skokami. Innymi słowy, krzywa od punktu minimum podnosi się w górę do punktu maksimum i ponownie opada w dół do punktu minimum nie płynnie, lecz doświadczając licznych skoków. Wielkość tych skoków w miarę nasilania się procesu tworzenia się plam rośnie i rośnie, a w momencie maksimum osiąga swoje najwyższe wartości.
Tak więc przebieg falistej krzywej procesu tworzenia się plam usiany jest wieloma drobnymi falami z ostrymi zębami u góry i głębokimi, niekiedy równie ostrymi, wgłębieniami u dołu. Z analizy krzywej tworzenia się plam widać, że przypomina ona jedynie w przybliżeniu sinusoidę. W szczegółach krzywa ta przypomina dobowy przebieg temperatury u chorego na tyfus, podobny do zębów półokrągłej piły. Obserwuje się tu gwałtowne wzrosty i spadki, przesunięcia i zakłócenia. Wszystko to są drobne wahania, z których składa się jedno wielkie — 11-letni cykl aktywności słonecznej.
Analizując te skoki-zęby, łatwo jednak zauważyć, że wszystkie one w miarę przesuwania się cyklu od minimum do maksimum stopniowo rosną zarówno w liczbie, jak i wysokości; oznacza to, że plamy pojawiają się na powierzchni Słońca coraz częściej, występując w większej liczbie i mając dłuższy okres życia. W konsekwencji ilość energii przez nie emitowanej również stopniowo rośnie skokowo w miarę przesuwania się cyklu od minimum do maksimum. Te skoki w pojawianiu się i zanikaniu plam są prawdopodobnie przyczyną wielu zjawisk rozwijających się na Ziemi w zależności od procesu tworzenia się plam.
Opierając się na zmianach intensywności i liczby plam słonecznych, jeszcze Schwabe, jak widzieliśmy, uznał, że odstęp czasu między maksimami wynosi 10 lat. Lamont obliczył tę samą wielkość i otrzymał dla niej wartość 10,43 roku. Wolf okres wahań liczby plam uznał za równy 11,111 roku ze średnią zmiennością ±2,03 roku. Ch. Young (Joung, 1834–1908 r.) uważał, że prawdziwy cykl tworzenia się plam waha się nie więcej niż 12–14 lat. A. Wolfer uznał, że średni okres tworzenia się plam wynosi 11,124±0,030 roku. S. Newcomb (S. Newcomb, 1835–1909 r.) przyjął go za 11,13 roku. Wreszcie Michelson (A. Michelson, 1852–1931 r.) skłania się ku uznaniu okresu powyżej 11,4, natomiast H. Turner (1861–1930 r.) uważa, że obecnie można mówić jedynie o okresie 11,4 roku.
Schuster poddał harmonicznej analizie materiał liczbowy dotyczący plam za 150 lat. Według jego badań, obok cyklu 11,125 roku występuje szereg okresów wtórnych, których kolejne występowanie jest przyczyną różnych zakłóceń obserwowanych w głównym okresie. Te drugorzędne okresy mają wielkości 4,38; 4,80; 8,36; 13,50 roku. Badając kwestię 11-letniego okresu w latach 1750–1900, Schuster stwierdził, że w pierwszych 75 latach okres ten rozbija się na dwa: 9,25 roku i 13,75 roku, a w sumie 75 lat wynosi 11,1 roku.
Interesujące jest odnotowanie, że Turner przeprowadził obróbkę obserwacji magnetycznych z Greenwich za okres od 1841 do 1904 r., przy czym stwierdził, że oprócz głównego okresu związanego z plamami słonecznymi istnieje jeszcze okres wtórny 9,26 roku. Pragnąc odkryć ten sam okres w aktywności słonecznej, Turner rozpoczął ponowną analizę wszystkich danych Wolfa i Wolfera począwszy od 1610 roku. Nie znajdując okresów 9,26 roku, Turner ustalił jednak występowanie innego okresu aktywności słonecznej, mianowicie 13 lat. Okres ten wyróżnia się tym, że przy niewielkiej intensywności jest dość dobrze wyrażony.
Wreszcie w 1927 r. Oppenheim poddał analizie liczby Wolfa i stwierdził, że przebieg ich krzywej wyraża się następującą funkcją: r = C + C2 cos [φ1 + lxm – cos (mφ1 – em)], φ = 360°/П, 25i
V = 360° / 450. Tak więc tworzenie się plam jest zjawiskiem bardzo złożonym. Średnio tylko jeden na czterysta.
Ryc. 7. Średnie szerokości Słońca (przerywana krzywa) i średnie powierzchnie plam (czerwona krzywa) od 1854 do 1912 r.
Na początku każdego nowego cyklu słonecznego, po minimum, plamy pojawiają się w najwyższych szerokościach, w których mogą w ogóle występować, tzn. w okolicach ±30° szerokości heliograficznej. Następnie, w miarę wzrostu ilości plam od minimum do maksimum, strefa maksymalnej częstotliwości plam przesuwa się w kierunku słonecznego równika aż do ±30° szerokości, gdzie plamy ostatecznie zanikają do minimum. Po nadejściu minimum zjawisko powtarza się w dawnym porządku (według Spoerera). Okres ten wynosi 11 lat. W rzeczywistości jednak jego długość osiąga niekiedy 17 lat, a niekiedy jedynie 7. Równie istotnym zjawiskiem w cyklicznym przebiegu ilości plam słonecznych jest to, że narastanie maksimum, okres jego trwania oraz zanik nie stanowią za każdym razem czegoś ściśle określonego, lecz stopniowo ulegają zmianom z powodu jeszcze nieznanych nam przyczyn. Dlatego przy określaniu i przewidywaniu jakiegokolwiek konkretnego punktu okresu należy zachować szczególną ostrożność. Przełomy w aktywności słonecznej, które wyznaczają punkty najwyższego wzrostu oraz najmniejszego spadku, można określić dopiero po kilku miesiącach, a niekiedy nawet po roku lub więcej poprzez porównanie z danymi dotyczącymi aktywności słonecznej za dłuższy okres. Dotychczas dostępna prognoza dotycząca określenia 11-letniego cyklu może być podana jedynie z dokładnością 1–2 lat, ale i to w niektórych przypadkach może już mieć ogromne znaczenie4.
Oprócz prób odkrycia małych cykli aktywności słonecznej, podjęto badania mające na celu ustalenie, czy nie istnieją w aktywności słonecznej także okresy długie. Już w 1746 r. Mérain, kiedy nic nie było wiadomo o okresach, wskazał na możliwe istnienie dużych okresów w aktywności słonecznej. Później tę samą myśl podzielał Loomis. Wolf próbował odnaleźć taki okres, określając go na 55,5 roku. Jung przyjął, że istnieją wahania 60-letnie, które dołączają się do podstawowego wahania 11-letniego. A. Hansky określił je na 72 lata. N. Lockyer znalazł w aktywności słonecznej okres 35 lat, zaś Schuster obliczył za pomocą metody periodogramów cykle trwające trzecią część wieku, równe 33,375. Do ustalenia 33-letniego okresu w aktywności Słońca doszedł także Litznar. Wreszcie Turner uznał za możliwe wyciągnięcie wniosku o istnieniu długiego okresu 266-letniego. Według opinii tego uczonego co 266 lat ma miejsce wielki maksimum aktywności Słońca. Wolf w 1889 r. na podstawie danych chińskich średniowiecznych kronik o zorzy polarnej wyróżnił kilka dat, które mogłyby być datami wielkich maksimów w aktywności słonecznej.
Wichry burz słonecznych
Były to lata: 372, 840, 1078, 1333 i 1372. Opierając się na latach 372 i 1372, w których — według jego przypuszczenia — miała miejsce szczególnie silna intensywność aktywności Słońca, Wolf obliczył szereg wielkich okresów, mianowicie 88,33 oraz 66,67 roku. Następnie Wolf dodał te cyfry kolejno do roku 372, otrzymując w ten sposób tabelę dat wielkich maksimów aktywności słonecznej. Obecnie jednak daty wskazane przez Wolfa można podważać. Ale czymże są plamy? Czy ich „wielka tajemnica”, jak to określił Galileusz, została w naszych czasach rozwikłana? Być może jeszcze nie, ale to, co dowiedzieliśmy się o plamach i ich naturze w ostatnich latach, wystarcza, aby uświadomić sobie wielkie znaczenie plam słonecznych dla życia Ziemi.
O naturze plam słonecznych głowili się liczni wybitni umysły. Pierwsi obserwatorzy sądzili, że plamy to planety, najbliższe satelity Słońca, przechodzące w pobliżu jego powierzchni. Błędne wyobrażenie to obalił Galileusz, który z kolei uważał, że plamy to chmury unoszące się w atmosferze słonecznej. Derham sądził, że chmury te pochodzą od wybuchów wulkanów słonecznych. J. Lalande przyjmował je za szczyty gór słonecznych, które wznoszą się ponad oceanem ognia ponad powierzchnią wyspy, która świeci, leżącej na centralnym stałym jądrze Słońca. W. Herschel uważał, że plamy to tymczasowe otwory w chmurach, przez które możemy dostrzec ciemność. Materiałem, którym można z pewnym stopniem pewności sądzić o epokach aktywności Słońca, są kronikarskie zapisy o zorzy polarnej. Te ostatnie, jak ustalono, na znanych szerokościach geograficznych występują głównie wtedy, gdy Słońce przeżywa epokę maksimum. Innymi danymi są wielkie plamy słoneczne, widoczne gołym okiem w okresach maksimów i odnotowane przez kronikarzy (głównie Chińczyków). Materiał ten był rozproszony w kronikach i kronikach różnych narodów. Systematyzacji tego materiału dokonał niemiecki uczony G. Fritz (H. Fritz), który po raz pierwszy w 1893 r. opracował kronikarskie dane o zorzy polarnej, o plamach słonecznych widocznych gołym okiem, o gradobiciach i zbiorach. Po 25 latach analogiczną pracę wykonał w Rosji D. O. Swiatski, uwzględniając także rosyjskie kroniki.
Jego syn J. Herschel dał plamom następujące wyjaśnienie: plamy są ogromnymi wirami, które wznoszą się przez atmosferę. W swoim czasie, począwszy od 1868 r., toczyła się walka między dwoma teoriami: teorią opata A. Secchiego i teorią E. Faya. Pierwszy w podstawę swojej teorii położył hipotezę o wybuchach słonecznych. Drugi uważał, że podstawą tworzenia się plam są burze słoneczne, a samą strukturę plam — wirowatą. Ten punkt wyjścia zachowuje swoją moc do dnia dzisiejszego. Teoria Faya polega na tym, że w wyniku względnego ruchu sąsiadujących części fotosfery tworzą się wiry, które przekształcają się w cyklony i wiry podobne do tych, które powstają, gdy szybki nurt napotyka na swej drodze przeszkody. Takie wiry mają postać lejów, w których ciała i unoszące się powietrze są wciągane w głąb. Podobnie, jak wówczas przypuszczał Fay, powstają ziemskie cyklony i tornada. Zaczynają się one u góry i schodzą w dół atmosfery coraz niżej, aż wierzchołek wiru osiągnie Ziemię. Podobnego rodzaju, ale tylko kolosalne wiry stanowią — według Faya — istotę plamy słonecznej.
Jednym z zarzutów skierowanych przeciwko teorii Faya było to, że jeśli plamy to wiry, to powinny one wykazywać ruch wirowy. Ponadto wszystkie plamy na północ od równika powinny obracać się w tym samym kierunku, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, jeśli patrzeć z Ziemi; plamy zaś południowej półkuli Słońca powinny obracać się w kierunku przeciwnym, podobnie jak ziemskie cyklony. Badając to zagadnienie, astronomowie zauważyli, że jedynie niewielki procent plam wykazuje ślady ruchu wirowego, a często różne człony jednej grupy plam, nawet różne części tej samej plamy, obracają się w przeciwnych kierunkach. Wówczas te obserwacje mogły jedynie zachwiać teorią Faya, tymczasem są one właśnie najlepszym dowodem słuszności jego zasady o wirowej strukturze plam. Na pomoc teorii Faya przybyły teorie elektryczne plam. Gorącymi zwolennikami wirowej teorii plam stali się Reye i Helm. Jednak dla ostatecznego uznania jej brakowało jasności w niektórych szczegółach. Dopiero po znakomitej pracy amerykańskiego uczonego G. Hale’a (D. Hale), wydanej w 1908 r., większość astronomów powróciła do wirowej teorii. Wreszcie następnego roku Hale otrzymał możliwość, na podstawie licznych badań, dojścia do wniosku, że plamy słoneczne „są prawdopodobnie elektrycznymi wirami”. Wspaniałe prace Hale’a zapoczątkowały całą serię wspaniałych badań nad naturą plam, przeprowadzonych w Obserwatorium Słonecznym na Mount Wilson w Kalifornii, a także w innych obserwatoriach zajmujących się badaniem Słońca. Teoria Hale’a znalazła wśród astronomów wielu gorących zwolenników, tym bardziej, że zyskiwała ona każdego dnia nowe i nowe potwierdzenia.
Tym samym plamy słoneczne należy rozpatrywać jako wiry, podobne do trąb powietrznych na morzu, z lejkowatymi rozszerzeniami u szczytu. Ruch materii w takich wirach odbywa się od dołu do góry, tworząc wstępujący wir. Prędkość ruchu materii osiąga ogromnych wartości, a gazy unoszone w wirze ochładzają się wskutek szybkiego rozszerzania się w miarę zbliżania się do szczytu wiru. Szczyt wiru, do którego docierają ochłodzone gazy, porusza się po spirali, szybko zwiększając promień. To, co widzimy w postaci plamy, jest jedynie szczytem, końcem wiru, echem potężnych procesów zachodzących w obszarach niedostępnych naszym badaniom. Bez wątpienia istnieje przyczyna, która zmusza gazy z głębi Słońca do płynięcia ku górze. Tam, w niższych warstwach słonecznej kuli, ukrywa się siła kosmiczna, która napędza cały ten złożony i ogromny wir, noszący skromną nazwę plamy słonecznej.
Przyczyna wywołująca wirujące ruchy materii fotosfery pozostaje dotąd nieustalona. W tym kierunku istnieją jedynie mniej lub bardziej uzasadnione przypuszczenia. Być może najbliższą przyczyną należy uznać silne nagrzewanie się materii w głębi? Wówczas, stając się lżejszą, niczym powietrze w kominie, unosi się do góry. Po drodze gazy ochładzają się i wychodzą na powierzchnię zimniejsze, choć początkowo były silnie rozgrzane. Wynika z tego, że w dolnej warstwie, gdzie dochodzi do powstania zjawiska, musi panować bardzo wysoka temperatura. Rzeczywiście, podczas gdy w pobliżu powierzchni Słońca temperatura nie przekracza 6000°, w centralnych warstwach sięga około 12 000 000°. Według obliczeń R. Emdena, centralna temperatura Słońca wynosi 31 500 000°. H. Russell wykazał, że większość gwiazd ma w centrum temperaturę bardzo bliską 32 000 000°.
Przyczyna takiego nagrzewania w dolnych warstwach Słońca pozostaje dotąd nierozwiązaną zagadką. Ta zagadka staje się jeszcze bardziej niezrozumiała, jeśli weźmiemy pod uwagę, że plamy pojawiają się w określonych częściach powierzchni słonecznej i tylko w określonych szerokościach heliograficznych. Przed tym huraganem nasze burze, które zwalają drzewa i domy, są ledwie odczuwalnym powiewem.
Już w 1892 r. Young, badając spektroskopowo promieniowanie plam słonecznych, odkrył niezwykłe zjawisko, a mianowicie: wiele linii spektralnych plam słonecznych okazało się podwójnych, podczas gdy widmo reszty powierzchni Słońca pozostawało pojedyncze.
Rys. 10. Czerwona krzywa – protuberancje z lat 1910–1934. Krzywa przerywana – plamy słoneczne za ten sam okres (wg W. Brunnera)
