Книга: Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Активность и солнечный цикл

Активность и солнечный цикл

Солнечные пятна — один из типичных примеров «погоды» в фотосфере и атмосфере Солнца. Понятие «активное Солнце» включает в себя также вспышки, протуберанцы — гигантские языки газа, вырывающиеся в корону, а также всплески шумового радиоизлучения. Все это — примеры энерговыделения, которое происходит при не очень сильном нарушении устойчивости внешних слоев Солнца. Часто причиной таких нарушений является очень сильная скрученность магнитного поля. Колебательная природа магнитного поля — его скручивание и последующее раскручивание — дает ключ к пониманию мощных всплесков энергии на Солнце. В отличие от планеты Земля дневная звезда обращается с магнитным полем, как с игрушкой, закручивая его все плотнее и плотнее до тех пор, пока в конце концов оно не срывается, подобно перекрученной часовой пружине. Название «солнечный цикл» относится к почти регулярным сериям наблюдаемых на Солнце изменений, которые сопровождают процесс наматывания и последующего освобождения магнитного поля. Эта интригующая картина поведения поля на Солнце впервые привлекла внимание астрономов при наблюдениях солнечных пятен.

Наблюдения солнечных пятен, используемые для научных исследований, астрономы проводят в течение почти трех последних столетий. Некоторые элементарные сведения о пятнах можно отыскать и в более отдаленном прошлом. Галилей проводил свои наблюдения в 1610—1611 гг., и с этого периода регистрация пятен то проводилась, то прекращалась, то возобновлялась вновь. К 1843 г. Г.Швабе из Дессау собрал достаточно много данных для того, чтобы подтвердить долгое время существовавшее предположение о регулярных флуктуациях числа солнечных пятен. Швабе показал, что число пятен на диске меняется циклически, достигая максимума примерно через каждые одиннадцать лет. Следующим, кто внес существенный вклад в исследование солнечных пятен, был Р.Вольф, который в середине XIX столетия собрал все, какие только мог, данные о пятнах и привел их к удобному виду. Он установил, что средний период цикла равен 11,1 года.

Рис. Изменение числа Солнечных пятен.

Для того чтобы придать смысл субъективному суждению о степени запятненности Солнца, определение числа солнечных пятен, данное Вольфом, используется до сих пор. Это число, определяющее меру солнечной запятненности, принимает во внимание как число групп солнечных пятен, так и число самих пятен, наблюдавшихся в данный день. Каждая группа принимается за десять единиц, а каждое пятно — за единицу. Общий отсчет за день — число солнечных пятен Вольфа; оно может быть и столь малым, как нуль, и столь большим, как 200. На каком основании Вольф выбрал для группы значение, равное десяти? Он должен был что-то выбрать— и в этом вся причина; хотя у его выбора нет физической основы, но схема разумна и позволяет за счет введения большего веса для групп пятен учитывать степень объединения пятен в группы. Качество пудинга определяется на вкус — вот почему астрономы до сих пор пользуются системой Вольфа. И последнее, что следует упомянуть: существует система корректировки числа пятен (несколько напоминающая гандикап, используемый на бегах, или раунд в гольфе), с помощью которой учитываются отличия в индивидуальных свойствах наблюдателей, различие в оборудовании и погодных условиях.

Рис. Широтно-временное распределение пятен — «Бабочки Маундера». С развитием цикла пятна появляются ближе и ближе к экватору.

Кривая среднемесячного числа солнечных пятен совершенно отчетливо показывает периодическое изменение числа солнечных пятен. За последние 50 лет течение цикла несколько ускорилось (хотя и незначительно) и цикл уменьшился примерно до 10,5 лет. Усреднение за 200 лет дает период в 11,2 года. За последние 300 лет самый короткий период был равен 7 годам, самый длинный — 17. Другими словами, поведение цикла регулярно лишь в среднем. Если посмотреть на изменение чисел солнечных пятен за три столетия, то можно заметить, что в подъеме и спаде максимумов, по-видимому, существует некоторая система. Возможно, это указывает на то, что существует другой цикл, равный примерно 80 годам, который модулирует одиннадцатилетний и о котором мы в действительности ничего не узнаем в течение ближайших нескольких сотен лет. Заметим также, что подъем до вершины максимума занимает меньше времени (примерно четыре года), чем спад, который обычно продолжается около шести лет.

Хотя система счета Вольфа хорошо выдержала испытание временем, сегодня более разумно измерять солнечную активность количественными методами. Это именно то, чем занимаются в настоящее время обсерватории, которые ведут регулярные патрульные наблюдения за Солнцем, используя в качестве меры активности оценку площадей солнечных пятен в миллионных долях площади видимой солнечной полусферы.

Одновременно с возрастанием числа солнечных пятен сами пятна также мигрируют в направлении солнечного экватора, который наклонен к плоскости орбиты Земли (т.е. к эклиптике) под углом в 7°. Г.Шпёрер (1822— 1895) из Потсдамской обсерватории был первым, кто исследовал эти изменения с широтой. Он и Ричард Кэррингтон (1826—1875) — английский астроном-любитель, сделавший очень много для солнечной астрономии, провели большие серии наблюдений периодов обращения пятен. Исходя из этих наблюдений, они подтвердили тот факт, что Солнце не вращается как твердое тело. Они обнаружили, что на широте 30°, например, период обращения пятен вокруг Солнца на 7% больше, чем на экваторе.

Е.Уолтер Маундер, суперинтендант Королевской обсерватории в Гринвиче (Лондон) в 1904 г. опубликовал интересную диаграмму, выявляющую миграцию солнечных пятен по широте в течение солнечного цикла. Эта «диаграмма бабочек» отчетливо показывает постоянное смещение пятен от высоких широт к более низким. Обычно первые пятна нового цикла появляются примерно на гелиоширотах ±30°, хотя они могут появляться и выше, вплоть до ±40°. По мере прохождения цикла пятна появляются все ближе к экватору. Они достигают ±15° в максимуме числа солнечных пятен и в конце цикла образуют сгущение на диаграмме вблизи широты ±5°. Отметим, что эти пятна не движутся в направлении экватора, в действительности смещается лишь место наиболее вероятного появления пятен. В конце цикла вблизи экватора могут существовать пятна старого цикла, в то время как на высоких широтах уже возникают пятна нового цикла.

В 1908 г. Джордж Эллери Хейл открыл магнетизм солнечных пятен. В 1950-х годах Бэбкоки, используя более совершенный магнитограф, показали, что в солнечных активных областях существуют биполярные магнитные поля. Поведение магнитных полей в солнечных пятнах дает нам ключ к пониманию природы механизма, управляющего солнечной активностью. Измерения магнитного поля в группах, состоящих из двух солнечных пятен, отчетливо показывают, что эти два пятна имеют противоположные полярности, указывая на то, что линии магнитного поля выходят из одного пятна и входят в другое. В течение отдельного солнечного цикла и в данной полусфере ведущее пятно (ведущее в направлении солнечного вращения) всегда одной и той же полярности. В противоположной полусфере по другую сторону экватора выполняется то же самое, но знак полярности обратный. Это поведение сохраняется в течение всего солнечного цикла, а затем, когда включается новый цикл, полностью меняется на противоположное. Конец одного цикла солнечных пятен и начало следующего сопровождаются сменой знака солнечных магнитных полей, при которой даже слабое общее поле медленно меняет направление на противоположное. Этот процесс занимает около года. Таким образом, магнитный цикл Солнца составляет полных двадцать два года плюс — минус несколько месяцев.

Хотя солнечные пятна являются единственным признаком активности, наблюдаемым невооруженным глазом, солнечная активность — значительно более широкое понятие. Активная область на Солнце — чрезвычайно возмущенная зона, часто (хотя и не всегда) связанная с солнечными пятнами, — это область, где происходят многие явления активности: факелы, вспышки, протуберанцы и т.д. Единственное, что связывает все эти явления воедино, это интенсивное магнитное поле, достигающее нескольких тысяч гаусс. В действительности активные области, размеры которых составляют от 10 000 до 500 000 км, представляют собой наиболее поразительное свидетельство магнитной жизни Солнца.

Факелы — это области в фотосферных слоях, которые кажутся яркими на фотоснимках в белом свете и снимках, полученных через фильтр. Вблизи молодых и развитых активных областей факелы плотные и яркие. Гевелий в XVII столетии, по-видимому, был первым солнечным наблюдателем, который заметил факелы. Тесно связаны с факелами флоккульные области; они наблюдаются в хромосфере и сливаются с внутренней короной. Для активных областей могут быть построены карты распределения эмиссии в оптическом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Одной из наиболее важных задач орбитальных обсерваторий как раз и является получение снимков в ультрафиолетовом и рентгеновском излучении. В этих диапазонах изображение активной области расплывается и имеет менее четкую структуру, однако она все еще ограничена магнитным полем.

Бушующая хромосфера — это именно та область, в которой многие из эффектов солнечной активности проявляются наиболее резко. Эту область и неустойчивые слои над ней нелегко исследовать с поверхности Земли, поэтому столь важной задачей исследований на «Скайлэбе» и других спутниковых программ было изучение солнечной активности. Многие из событий наиболее хорошо исследованы в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах излучения потому, что их бурное развитие проявляется главным образом на этих длинах волн. Исследование солнечных пятен и больших активных областей было нетрудной задачей для «Скайлэба».

Транзиентные же и взрывные явления потребовали уже более тщательных наблюдений с космического корабля и наземных обсерваторий. Эти совместные наблюдения позволили получить значительно более ясную картину возмущений в хромосфере и короне.

По данным о солнечных пятнах и активных областях может быть построена модель активности, но мы подчеркиваем, что это именно модель, а не законченная теория. Фактически мы пытаемся объяснить механизм формирования «погоды» во внешних слоях Солнца таким же образом, каким метеорологи объясняют области пониженного и повышенного давления, фронты в атмосфере Земли. С точки зрения теории и прогноза метеорологи значительно опередили астрономов-солнечников. Это едва ли удивительно, так как понимание механизма формирования «погоды» на «космическом корабле» Земля для человечества гораздо важнее исследований Солнца.

Еще существеннее то, что солнечная «погода» связана с горячей плазмой — материей, которую трудно чем-либо удержать и которая течет вдоль силовых линий магнитного поля, что приводит к проблемам большой математической сложности. С другой стороны, недостаточность понимания нами активности не является серьезным ограничением в отношении исследования Солнца как звезды, так как даже наиболее сильные солнечные бури меняют выход энергии Солнца лишь на одну миллионную долю, а это не может изменить общей картины его эволюции.

В настоящее время широко принято, что солнечная активность своим происхождением обязана магнитному полю и что она возникает вследствие того, что Солнце не вращается как жесткое тело. Наблюдения показывают, что экваториальная зона постоянно опережает при своем вращении полярные области. Возможно, хотя не существует ни доказательств, ни отрицания этого утверждения, внутренние слои Солнца вращаются быстрее внешних. К чему это нас приводит?

Прежде всего, нам необходимо уяснить одну важную мысль, а именно ту, что солнечное вещество горячее, вследствие чего в нем существует много свободных электронов, образующихся в результате частичной ионизации атомов. Это происходит лишь при очень высокой температуре. Электроны образуют электрический ток; вещество же, содержащее свободные электроны, является хорошим проводником электричества, подобно железу и меди. (Свободные электроны существуют в холодных металлах благодаря тому, что атомы в металлах образуют кристаллическую решетку. Это приводит к разделению положительно заряженных атомов и свободных электронов.) Когда электрически заряженное вещество, имеющее высокую проводимость, пытается двигаться в направлении, противоположном направлению магнитного поля, обнаруживается, что сделать это оно не может. В том случае, если оно все же пытается перемещаться, поле создает электрические токи, которые текут таким образом, что возникающая вторичная магнитная сила противодействует движению. Если эти рассуждения смущают Вас, можно посмотреть на все и иначе: когда облако электронов перемещается относительно магнитного поля, они автоматически генерируют дополнительное магнитное поле, которое, вместо того чтобы ускорять движение, противодействует ему. Если бы это было не так, то сейчас весь транспорт и энергетика Земли обеспечивались бы машинами, работающими по принципу вечного двигателя.

Что же касается Солнца, то на Солнце магнитное поле захватывается горячим веществом или вмораживается в него. При своем движении солнечное вещество увлекает за собой столько магнитного поля, сколько сможет. Так как экватор при вращении опережает полюса, силовые линий магнитного поля растягиваются, но в отличие от спагетти линии поля при таком наматывании не обрываются; они скорее похожи на чрезвычайно эластичную резину. Как и у резины, чем больше они растягиваются, тем больше в них запас энергии. Для начала возьмем простую модель Солнца: чисто дипольное поле, как, например, у обычного стержневого магнита, с невозмущенными силовыми линиями, соединяющими полюса. Затем заставим его вращаться, причем вещество на экваторе пусть вращается быстрее, чем вещество на более высоких широтах. Через несколько десятков оборотов линии первоначального простого поля обмотаются несколько раз вокруг Солнца. Этот процесс продолжается и далее, и каждый раз, когда экватор совершает один оборот относительно полюса, магнитные тиски вокруг Солнца сжимаются сильнее, стягивая силовые линии все теснее и теснее. Более того, то, что когда-то было магнитным дипольным полем, постепенно превращается в сильное поле, по форме напоминающее пончик (или тороидальное поле). Силовые линии теснят друг друга. В конце концов какое-то из полей (дипольное или тороидальное) должно уступить.

Когда напряженность поля в какой-либо части внешних слоев достигает примерно 10 000 Гс (это приблизительно в 100 000 раз больше напряженности поля Земли), магнитное давление становится достаточно сильным для того, чтобы уравновесить силу солнечного притяжения. Теперь плазма закручивается и свивается в жгуты, запутывая силовые линии еще больше, благодаря перемешиванию внешних слоев за счет конвекции. Поле запутывается в виде беспорядочно переплетающихся жгутов или узлов. Местами оно прорывается через фотосферу, образуя области всплывающего потока, которые являются первой стадией образования солнечной активной области. Линии нового магнитного поля таким образом поднимаются на поверхность Солнца. Области, в которых они выходят на поверхность, имеют биполярную структуру в виде пары северного и южного магнитных полюсов. Впервые биполярная структура наблюдалась в солнечных пятнах в начале XX столетия. Эта стадия может сопровождаться яркой флоккульной областью. Примерно через день возникает и сама пара солнечных пятен, и оба пятна связывает арочная структура волокон, которая, по-видимому, очерчивает структуру магнитного поля. Эти арочные волокна могут достигать в длину 30 000 км и иметь высоту, равную 5 000 км, другими словами, могут быть много больше Земли.

Внутри области, занятой солнечными пятнами, магнитное поле в виде трубки выходит из одного пятна и, образуя арку, входит в другое. Эта картина естественным образом объясняет двойную полярность и также хорошо согласуется с наблюдениями арочных волокон. Наблюдения с космических аппаратов, особенно наблюдения активных областей, позволяют теперь проследить эту структуру и значительно выше фотосферы.

В конце 1960-х гг. Спенсер Р.Вирт детально исследовал возникновение новых активных областей на Солнце. Использование метода киносъемки, показывающего развитие активной области на Солнце в ускоренном темпе, позволило ретроспективно проследить развитие солнечного пятна вплоть до первых нескольких часов его появления. Одним из удивительных открытий было то, что всплывающая из-под солнечной поверхности арка магнитного поля первоначально образует произвольный угол по отношению к экватору. Однако через несколько часов под действием магнитного поля и за счет перестройки силовых линий всплывающая трубка разворачивается и занимает нужное положение. Таким образом обеспечивается параллельность пары солнечных пятен по отношению к экватору на Солнце. Тот факт, что ориентация трубок на более ранних стадиях почти случайна, предполагает, что магнитное поле под поверхностью может представлять собой хаотическое переплетение силовых линий.

Когда всплывает арка магнитного поля новой группы пятен, она разворачивается и занимает нужное положение. Асимметричный характер области солнечных пятен может возникать следующим образом. Если всплывающее магнитное поле нуждается лишь в небольшом повороте, группа пятен растет. Когда же это поле необходимо повернуть на большой угол, «неправильное» пятно (пятно с обратной полярностью) больше, и группа вскоре исчезает. По этой причине почти у всех в действительности наблюдаемых пятен предшествующее пятно больше; другие группы просто не выживают.

«Скайлэб» впервые дал астрономам возможность исследовать протяженные структуры активных областей, простирающиеся в верхнюю хромосферу и нижнюю корону. Наблюдения, проводившиеся одновременно на нескольких «невидимых» длинах волн, выявили тонкую структуру в области, лежащей непосредственно над активной областью в фотосфере. Наиболее важным открытием было то, что активные области, несомненно, определяются арочными магнитными трубками. Внутри этих трубок, упирающихся своими основаниями в солнечную поверхность, удерживается высокотемпературное вещество.

В максимуме солнечной активности новые области появляются из-под фотосферы с частотой одной области в день. Они всплывают на поверхность за счет конвекции в центре супергрануляционных ячеек.

Гелиофизиков до сих пор занимает проблема относительно более низкой температуры внутри солнечных пятен. Вне всякого сомнения, в пятне работает мощный процесс охлаждения, который отводит тепло от пятна столь эффективно, что температура падает почти на 2000 К. Существует несколько возможных объяснений этого. Одно из них заключается в том, что сильное магнитное поле, захваченное опускающимся вниз под фотосферу веществом, может в значительной степени замедлить процесс конвекции и таким образом создать изолирующий слой под пятном, резко уменьшив приток энергии. Аналогично действует изолирующее перекрытие из стекловаты или минерального волокна, уменьшающее число оборотов больших конвективных ячеек непосредственно под перекрытием крыши. Зимой снег медленнее всего тает на хорошо изолированных крышах из-за того, что они самые холодные. Другое возможное объяснение состоит в том, что над пятнами вещество, быстро растекаясь, охватывает большую площадь, вследствие того, что стекает вдоль силовых линий. Это растекание плазмы должно приводить к локальному охлаждению фотосферы. И наконец, существует предположение о том, что над пятном генерируются магнитно-гидродинамические волны и что они могут накачивать энергию вверх в корону. Теории, теории, теории...; какая же из них верна? Может быть, их комбинация? Все теории имеют свои трудности, одной из которых является то, что энергию, уносимую из пятна, явно не удается обнаружить где-либо в другом месте. Если модель изолирующего слоя верна, почему мы не видим вокруг края пятна ярких колец, через которые должно уходить отклоняемое тепло? И аналогично, если существует какой-то механизм накачки, то следовало бы ожидать, что в короне будут видны яркие точки. В конце концов, холодильники и морозильники должны иметь теплообменник или вентилятор для того, чтобы избавиться от ненужного тепла.

Во время солнечного цикла новые пятна впервые возникают на широтах  ±40°, там, где, как полагают ученые-солнечники, происходит первоначальный сдвиг магнитной структуры. Магнитная плавучесть выносит поле из нижней конвективной зоны с глубины 200 000 км. Этот вынос поля приводит к переносу давления в более высокие широты. Однако дифференциальное вращение продолжает наматывать силовые линии все ближе к экватору, в результате чего пятна также постепенно приближаются к экватору. На конечной стадии цикла силовые линии на экваторе настолько сближаются, что происходит «короткое замыкание», уничтожающее большую часть магнитного поля. Новый цикл начинается с движения силовых линий в противоположном направлении — поле одного знака навстречу полю другого знака — из-за того, что динамо-поле Солнца меняет свое направление в конце цикла на противоположное. Когда возникают первые пятна нового цикла, их полярности также противоположны полярностям пятен предшествовавшего цикла.

В объяснении того, каким образом действует солнечное динамо, существуют значительные трудности. Кроме того, решение этой проблемы должно учитывать и другой неизвестный фактор — не вращается ли Солнце внутри быстрее? В течение некоторого времени в начале 1970-х годов казалось, что у Солнца действительно есть быстро вращающееся ядро, однако, когда не удалось обнаружить сжатие (сплюснутость к полюсам), которое должно было бы возникать в случае быстро вращающегося ядра, это представление было поставлено под сомнение.

Проблемы, связанные с вариациями магнитного поля Солнца, было бы легче решить, если бы эти вариации были регулярными, но даже эта регулярность была поставлена под сомнение поразительными результатами, полученными при тщательном изучении исторических записей. Эти записи показывают, что солнечные пятна не всегда появлялись и исчезали таким же образом, как в течение последних 250 лет. В 1976 г. астроном Джон Эдди просмотрел записи, в которых упоминались солнечные пятна за последние 1000 лет, и пришел к выводу, что Солнце в течение этого периода претерпевало значительные изменения, заслуживающие самого пристального критического рассмотрения.

Ключевая информация о существовании реальных изменений была получена следующим образом. Галилей и Шайнер наблюдали изменения на Солнце в 1610—1611 гг., но прошло 230 лет, прежде чем Генрих Швабе обнаружил отчетливый период, разделяющий максимумы; на первый взгляд столь длительный период, потребовавшийся для открытия солнечного цикла, едва ли делает честь первым исследователям Солнца. В конце XIX столетия два наблюдателя — Гюстав Шперер в Германии и Е.В.Маундер на Гринвичской обсерватории (Англия) в пяти научных работах указали на тот факт, что в течение 70-летнего периода вплоть до 1716 г. пятен на солнечном диске, по-видимому, почти не было. В течение примерно половины этого времени, т.е. с 1672 по 1704 г., на северной полусфере Солнца практически никаких пятен вообще не было видно. Что касается групп солнечных пятен, то за шестьдесят лет, предшествовавших 1705 г., была замечена лишь одна. Маундер, имевший то преимущество, что он следовал за Шперером во многих из этих исследований, смог поддержать эти утверждения ссылкой на научную литературу того периода. Эдди, обратившись вновь к работам того периода, цитирует статью, опубликованную Лондонским королевским обществом. В ней говорится следующее о наблюдении в 1671 г. солнечного пятна: «...в Париже Высокочтимый синьор Кассини недавно вновь обнаружил Пятна на Солнце; насколько мы знаем, ни одно из них не наблюдалось в течение уже многих лет». Кассини писал, что его открытие было сделано через двадцать лет после того, как астрономы в последний раз видели значительные пятна на Солнце. И заключительный аккорд был взят в 1684 г. английским Королевским астрономом Флемстидом, который следующим образом сообщил о появлении пятна: «Эти явления, столь частые в дни Шайнера и Галилея, были за последнее время столь редкими, что данное появление — единственное, наблюдавшееся мною на его диске с декабря 1676 г.». В действительности к тому времени, когда Маундер обратился к этому вопросу, в литературе существовало уже много упоминаний о пропавших пятнах.

Свой анализ Маундер основывал главным образом на довольно скудных архивных данных и, что более сомнительно, на только кажущемся правильным доводе о том, что отсутствие свидетельств есть свидетельство отсутствия. Приняв во внимание многие ранее не рассматривавшиеся факты, Джек Эдди заново проанализировал все данные и пришел к выводу, что минимум Маундера действительно имел место, а не обязан своим происхождением ошибочным или неполным наблюдениям. Так, например, было обнаружено, что в начале XVIII века, когда вновь появились пятна, число регистраций появления полярных (северных) сияний внезапно возрастает; в настоящее время астрономы установили, что полярные сияния значительно ярче тогда, когда на диске много пятен.

Новейшее подтверждение длительных промежутков спада солнечной активности следует также из исследований содержания в прошлом тяжелого радиоактивного изотопа углерода, известного под названием углерод-14. Этот изотоп входит в состав двуокиси углерода земной атмосферы, которая, поглощаясь растениями и деревьями, становится частью их древесной ткани. Когда спокойны как «погода на Солнце», так и его магнитное поле, интенсивность потока заряженных частиц, которые носят название космических лучей и постоянно пронизывают всю нашу Галактику, у Земли больше. Если Солнце магнитоактивно — на нем много пятен, и возросшее магнитное поле до некоторой степени экранирует Землю от галактических космических лучей. Космические лучи, проникая в нашу атмосферу, при своем столкновении с другими атомами воздуха создают углерод-14. В конечном счете, меньшая солнечная активность и более слабое магнитное поле будут соответствовать большему количеству углерода-14 из-за того, что в этом случае увеличивается число столкновений космических лучей с атомами атмосферы Земли. По существу, измеряя количество углерода-14 в годичных кольцах деревьев, ученые находят, каким образом его естественное содержание изменялось в прошлом. Когда эти исследования впервые были проведены, ученые были озадачены продолжительным ростом содержания углерода-14 между 1650 и 1700 годами. Теперь мы видим, что эта аномалия тесно связана с маундеровским минимумом солнечных пятен.

Факты, подтверждающие реальность маундеровского минимума, а также убедительные свидетельства о более ранних понижениях солнечной активности, были получены из исследований исторических описаний и астрономических трактатов Востока. Эта работа была, в частности, проведена двумя английскими астрономами — Дэвидом Кларком и Ричардом Стефенсоном. Хотя в европейских источниках нет почти никакого упоминания о солнечных пятнах до Галилея, иначе обстоит дело на Востоке, откуда до нас дошла целая россыпь наблюдений. В чем причина такого различия? В Европе ученые того времени считали, что Солнце совершенно, и поэтому сама возможность существования солнечных пятен исключалась на основании теоретических (точнее, догматических) предпосылок. На Востоке это ограничение на оригинальную мысль не было господствующим, и, как следствие этого, существует множество живописных и поэтических упоминаний о наблюдавшихся невооруженным глазом солнечных пятнах. Вот примеры, взятые из переводов Кларка и Стефенсона: «Солнце было ослепительно красным, как пламя. На диске его был виден трехногий ворон. Его очертания были резкими и отчетливыми. Через пять дней он исчез» (352 г.н.э.). «На восходе Солнца и перед самым закатом на диске его было видно темное пятно размером с куриное яйцо; через четыре дня оно исчезло» (579 г.н.э.). Это прекрасный пример того, насколько легче пятна наблюдаются невооруженным глазом тогда, когда Солнце находится вблизи горизонта и светит сквозь темную дымку. Восточные описания за период в 1500 лет содержат много живописных оценок размеров пятен: «подобно сливе», «величиной с финик», «размером с монету» (28 г. до н.э.), или «черный туман, подобный летящей сороке». Эти характеристики не содержат никакой количественной оценки, тем не менее группа в виде летящей сороки (188 г. н.э.) существовала в течение нескольких солнечных оборотов («...через несколько месяцев он постепенно исчез»), так что она, должно быть, была громадной.

Восточные записи, по-видимому, указывают на два любопытных спада активности продолжительностью примерно в 200 лет. Один, в течение которого не было зарегистрировано невооруженным глазом ни одного солнечного пятна, продолжался от 600 г.н.э. до 800 г.н.э.; другой, во время которого лишь дважды наблюдались пятна, — с 1400 г.н.э. до 1600 г.н.э. Интересно, что период в 20 лет, предшествующих 1400 г.н.э., содержит множество сообщений о солнечных пятнах, что говорит о том, что солнечная астрономия в то время процветала. Кроме этих двух подозрительных пауз существуют еще три более короткие, которые своим происхождением, возможно, обязаны скорее отсутствию энтузиазма наблюдателей, чем реальному отсутствию пятен. Действительно же выдающейся особенностью больших спадов активности является их совпадение с соответствующими максимумами содержания углерода-14 в атмосфере. Еще один спад, с 1280 до 1350 г.н.э., также сопровождается возрастанием содержания углерода-14; это отклонение от нормы называется малым средневековым минимумом. Спад с 1400 г.н.э. до 1660 г. н.э.— минимумом Шпёрера, а тот, что следует за изобретением телескопа — маундеровским минимумом.

Открытие продолжительных периодов, свободных от солнечных пятен, примерно за два тысячелетия солнечных наблюдений подрывает уверенность в том, что дневная звезда имеет регулярный 11-летний цикл. Несомненно, действует другой заметный эффект — эффект, который может «выключать» пятна и уменьшать магнитное поле. Это явление подтверждается исследованиями содержания углерода-14 в ископаемых остатках растений и в особенности в кольцах деревьев. Дополнительное подтверждение следует из более косвенных наблюдений: в тех случаях, когда мала активность, протяженность короны во время солнечного затмения уменьшается. Во время маундеровского минимума (в реальности которого можно теперь не сомневаться) было отмечено также заметное отсутствие полярных сияний, которые, как мы теперь знаем, являются индикаторами сильных магнитных бурь на Солнце. Все говорит о том, что Солнце — не прогнозируемая переменная звезда, какой ее привыкли считать астрономы, а звезда, поведение которой подвергается значительным непредсказуемым изменениям. Согласно предположению Эдди, в настоящее время Солнце, возможно, приближается к большому максимуму в двадцать втором или двадцать третьем столетии.

Исследование древних рукописей с упоминанием солнечных пятен, очевидно, сохранит свое значение и в будущем. В настоящее время мы не знаем, почему солнечный цикл нерегулярен, хотя и знаем, что это действительно так; нет у нас и достаточно убедительных представлений о том, какое действие изменения активности могут оказывать на интенсивность излучения Солнца и, следовательно, какое действие они оказывают, если вообще оказывают, на погоду Земли.

Уже во время затмений было замечено, что размеры короны меняются с солнечным циклом. Корона, будучи относительно компактной и однородной в минимуме, в солнечном максимуме значительно больше и имеет сложную структуру. Когда на Солнце много пятен, корона характеризуется многочисленными длинными лучами, которые выглядят подобно лепесткам цветка. Корона также значительно ярче в максимуме. Во время маундеровского минимума наблюдатели описали корону как небольшое слабое свечение. Но лишь через несколько лет, в 1715 г. наблюдатель в Кембридже дал первое приемлемое описание короны и лучей (стримеров). В солнечном максимуме корона представляет собой поистине захватывающее зрелище. В минимуме истинная корона может даже полностью поблекнуть, остается лишь кольцо света, образующееся в результате рассеяния солнечного света пылью межпланетного пространства. От солнечного минимума к максимуму плотность частиц в короне возрастает вдвое, а температура — примерно на 20%.

Во время затмения случайный зритель, а в эру телевидения и наблюдатель у экрана телевизора могут увидеть не только корону, но и протуберанцы. Существует несколько типов этих прекрасных образований, но лишь некоторые из них непосредственно связаны с активным Солнцем. Наблюдателям Солнца протуберанцы известны уже много столетий. В далеком 1239 г. во время затмения в короне была видна «горящая дыра»; по всей вероятности, это был гигантский протуберанец. Протуберанцы, по-видимому, упоминались и летописцами России в средние века. Во время затмения 2 мая 1733 г. Б.Вассениус в Гётенбурге в Швеции видел три или четыре протуберанца, о которых он говорит как о красном пламени; он считал эти явления облаками в атмосфере Луны. Любопытно, что все эти наблюдения были полностью забыты, так что астрономы были удивлены, когда во время затмения 8 июля 1842 г. некоторые из них заново открыли протуберанцы, которые они интерпретировали как горы на Солнце.

Значительный прогресс был достигнут к концу XIX столетия с изобретением фотографии и спектроскопии. Спектры, полученные во время затмения 1868 г., выявили в протуберанцах яркие эмиссионные линии. С тех пор протуберанцы правильно объясняют как светящиеся облака газа, лежащие высоко над поверхностью Солнца. Между прочим, именно во время этого затмения была открыта яркая спектральная линия, которую нельзя было связать с излучением какого-либо из известных тогда атомов, вследствие чего ее приписали новому солнечному элементу — гелию.

Рис. Протуберанцы во время солнечного затмения.

Что же такое все-таки протуберанец? Самым простым, хотя и не особенно научным, определением протуберанцев является следующее: протуберанцы — это структурные образования, которые напоминают пламя или штору, когда они наблюдаются на солнечном лимбе, как, например, во время солнечных затмений. Однако не все образования такого вида — протуберанцы, некоторые из них являются вспышками, о которых мы расскажем позднее. Несколько более научным будет утверждение о том, что протуберанцы — это холодные и плотные массы вещества в горячей короне. Они принимают множество различных форм, не меняющихся в течение интервала от нескольких месяцев до нескольких часов.

В прошлом гелиофизики предполагали, что протуберанцы представляют собой напоминающие фейерверк мощные выбросы вещества, исторгнутые из фотосферы. Однако современная фотосъемка, позволяющая проследить развитие протуберанца в ускоренном темпе, показывает, что во многих протуберанцах холодное вещество постоянно течет из короны в фотосферу.

Гелиофизики подразделяют все протуберанцы на два вида — активные протуберанцы и спокойные протуберанцы. Эта классификация существует с 1875 г. Названия активных протуберанцев — сёрдж (сплошной выброс), спрэй (выброс в виде струи из пульверизатора), петельный и эруптивный протуберанец — связываются с перемещающимися с высокой скоростью мощными крупномасштабными движениями вещества. Краткое рассмотрение некоторых из этих типов протуберанцев дает нам представление об их разнообразии.

Корональные облака висят в короне; вещество из них стекает в активные области нижележащей фотосферы. Обычно они существуют день или два и расположены на высотах в несколько десятков тысяч километров. Протуберанцы типа коронального облака по своим размерам, как правило, значительно больше Земли. Одновременно с корональными облаками могут наблюдаться явления типа коронального дождя, которые представляют собой излучающее вещество, стекающее вдоль искривленных силовых линий магнитного поля в фотосферу и ее активные области. Капли коронального дождя падают вниз со скоростями 50—100 км в секунду (100 000 миль в час). Не все протуберанцы выбрасываются высоко в корону; протуберанцы типа «холм», которые легче всего наблюдать вблизи солнечного лимба, являются низко-лежащими образованиями.

Существует несколько типов эффектных протуберанцев. В протуберанцах типа торнадо магнитное поле закручено в вертикальную спираль, вследствие чего протуберанец напоминает по своему виду смерч (торнадо). Петельные протуберанцы состоят из вещества, образующего в короне арки, которые своими концами упираются в солнечные пятна или вблизи них. Эти протуберанцы связаны с самыми сильными проявлениями солнечной активности. В вершине петли корона чрезвычайно горячая, и вещество низвергается вниз через оба основания петли. Иногда наблюдаются явления типа взрыва. Спрэи — это мощные выбросы горячего вещества со скоростями около 400 км в секунду (достигающими 1,5 млн. км в час), в которых начальное ускорение чрезвычайно велико — ускорение в несколько сотен g не является чем-то необычным. Когда оно превышает минимальную скорость ухода вещества от Солнца, некоторая часть вещества, действительно, навсегда покидает Солнце. Наблюдения приводят к предположению о том, что некоторые из спрэев происходят тогда, когда плазменный пузырь, плотно стянутый магнитным полем, неожиданно взрываясь, разносит свою клетку вдребезги. Иногда вещество выбрасывается вертикально вверх в виде протуберанца, известного под названием сёрдж. Примерно за пятнадцать минут он достигает высоты 100 млн. км в короне, а затем начинает падать обратно вдоль первоначальной траектории. Эти протуберанцы тоже, по-видимому, вызваны взрывом магнитного поля и горячего вещества в фотосфере, подобным взрыву бомбы. Запуск орбитальных космических лабораторий позволил гелиофизикам исследовать свойства протуберанцев и других явлений типа выброса на частотах невидимого, но обладающего большой энергией ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Ультрафиолетовый спектрогелиограф на «Скайлэбе» зарегистрировал эффектный солнечный выброс, взметнувшийся на половину радиуса Солнца (расстояние, в 50 раз большее диаметра Земли). Как выяснили, это была струя гелия с низкой температурой 50 000 К, выброшенная в горячую корону с температурой 2 млн. К. На рентгеновских изображениях заметно также множество выбросов в корону в виде шипов — спайков.

Рис. Гигантский эруптивный протуберанец изверженный 4 июня 1946 г.,

Спокойные протуберанцы в целом более спокойные явления и не обязательно имеют какое-либо отношение к избытку энергии в активных областях. Они наблюдаются в ослабленных, старых магнитных областях и представляют собой длинное вертикальное полотнище излучающего вещества, мерцающее над солнечной поверхностью. Основания этих светящихся штор совпадает с границами супергрануляционных ячеек. В отличие от активных протуберанцев спокойные протуберанцы развиваются медленно и существуют несколько месяцев. На лучших фотоснимках видно, что структура спокойного протуберанца состоит в основном из серий тонких вертикальных прядей (толщина прядей, между прочим, составляет 200 км), по которым вещество медленно стекает со скоростью 3500 км в час, и это очень медленная скорость для плазмы в протуберанце! Каким-то образом в вершины этих протуберанцев поступает новое вещество, так как без подвода нового вещества они не смогли бы так долго существовать.

Одним из самых больших когда-либо наблюдавшихся протуберанцев и наиболее известным из всех был протуберанец 4 июня 1946 г. Он, несомненно, был непревзойденным по красоте. Гигантская арка, протянувшаяся на три четверти миллиона километров, пульсировала в хромосфере и короне, а затем внезапно начала подниматься вверх, пока не исчезла в короне.

Протуберанцы обычно фотографируют на лимбе Солнца, где они подобно языкам пламени выступают на фоне бархатно-черного неба. Но их можно видеть и на солнечном диске, где они выглядят как темные змееподобные образования, называемые волокнами. Конечно, они не совсем темные, но значительно менее яркие, чем сияющая фотосфера, и поэтому на фоне диска кажутся темными.

Спикулы, упоминавшиеся ранее в этой книге, можно во многих отношениях рассматривать как мини-выбросы или протуберанцы. Напоминая по форме конус и имея диаметр около 1000 км, они простираются в корону на расстояние, в десять раз превышающее их диаметр. Одновременно на Солнце насчитывается несколько тысяч спикул, каждая из которых до своего исчезновения существует в течение пяти или десяти минут.

Краткое ознакомление с протуберанцами может создать впечатление, будто протуберанцы представляют собой полыхающие над Солнцем горячие языки пламени. В действительности, как мы увидим далее, это не так. Протуберанцы находятся в нижней короне, где электронная плотность составляет примерно 10⁸ электронов на 1 см³, а температура приблизительно равна 1 млн. К. С другой стороны, сами протуберанцы имеют электронные плотности по меньшей мере в 100 раз большие — от 10¹⁰ до 10¹² электронов на 1 см³ — и температуры около 10 000 К. Другими словами, протуберанцы значительно плотнее и много холоднее короны; их электронная температура порядка 10 000 К означает, что большая часть их энергии, несомненно, излучается в оптическом спектре. Другое дело — корона, гигантская температура которой приводит к тому, что вещество становится прозрачным для оптического излучения и превращается в мощный источник рентгеновского излучения.

Солнечные вспышки — другое значительное явление, связанное с активными областями; они, по-видимому, представляют собой наиболее сложные явления, наблюдаемые во внешней солнечной оболочке. Солнечная вспышка представляет собой совокупность ярких световых вспышек в солнечной атмосфере. Они продолжаются менее часа, иногда в течение лишь нескольких секунд, после чего гаснут. Хотя самые яркие вспышки могут быть видны и при наблюдении Солнца в белом свете, их легче обнаружить и проанализировать, если отфильтровать большую часть обычного солнечного света. Поэтому солнечные вспышки наблюдают, как правило, через узкополосные фильтры, которые пропускают лишь спектральные линии водорода или кальция. На фотоснимках в линии водорода обычно заметно уярчение в нижней атмосфере (вероятно, во флоккульной области), похожее на звездочку. Во время вспышки солнечная атмосфера (главным образом хромосфера) уярчается во всем электромагнитном спектре. Внезапное выделение накопленной в магнитном поле энергии приводит к временному локальному нагреву плазмы. Разряд электромагнитной энергии в области вспышки приводит к тому, что электроны, протоны и другие заряженные частицы получают мощный ускоряющий импульс. Почти мгновенно электроны устремляются во все стороны со скоростью, близкой к скорости света, и, взаимодействуя как с другими заряженными частицами, так и с магнитным полем, начинают излучать энергию во всем диапазоне электромагнитного спектра — от сверхдлинных радиоволн до высокоэнергичного рентгеновского излучения. Самые впечатляющие вспышки неистовствуют обычно в тех областях, где пятна особенно велики.

Вспышки — наиболее значительные из проявлений солнечной активности, влияющих на Землю. Заряженные частицы, выбрасываемые во время вспышек, вторгаются в верхнюю атмосферу нашей планеты. Именно вспышки возмущают ионосферу, прерывая радиосвязь и вызывая полярные сияния.

Во время вспышек сильно возрастает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение от Солнца, так как вспышки являются высокотемпературными высокоэнергичными явлениями. В наших знаниях о вспышках был достигнут значительный прогресс благодаря наблюдениям со «Скайлэба». Решающим фактором этих исследований была непрерывность последовательности изображений, полученных во время полета «Скайлэба». Астрономы смогли проследить развитие вспышек с самого момента их появления и обнаружили, что они начинаются в вершинах плотных арок магнитного поля, вытянутых от Солнца в виде петель. Измерения подтвердили, что энергия, выделяемая на коротких длинах волн, действительно много больше энергии, выделяемой в оптическом диапазоне.

Рис. Вспышка на Солнце.

В ультрафиолетовом спектре вспыхивающих областей наблюдается до 5000 различных эмиссионных линий. В период пребывания первого экипажа на «Скайлэбе» ученые сфотографировали вспышку в свете паров железа при температуре 17 миллионов градусов. Возможно, что температура вспышки достигала 20 миллионов градусов, что горячее, чем в ядре солнечного реактора. Этот высокий уровень возбуждения переводит атомы хромосферы в более высокое энергетическое состояние и определяет спектр, богатый эмиссионными линиями.

В течение солнечного цикла, определяемого количеством пятен на диске, число вспышек соответственно растет или уменьшается. Вспышка начинается, по-видимому, тогда, когда в магнитном поле активной области накапливается избыточная энергия. Это происходит вследствие того, что магнитное поле над группой из двух солнечных пятен закручивается кверху или оказывается плотно сжатым. На некоторой стадии этого процесса возникающее напряжение стремится разрядиться, и это действительно происходит в тот момент, когда силовые линии магнитного поля быстро перезамыкаются и сливаются друг с другом. Выделяемая при пересоеди-нении линий энергия, вероятно, и вызывает те чудовищные ускорения, которые наблюдаются, когда плазма устремляется в корону. Согласно данным, полученным при наблюдениях с помощью телескопа из космоса, сам процесс вспышки, по-видимому, происходит в верхней части петельной структуры над парами солнечных пятен.

Чрезвычайно быстрое выделение энергии во вспышке является загадкой для теоретиков. Каким-то образом магнитное поле постоянно накапливает энергию, и вопреки всем типам малых возмущений, которые должны существовать там вследствие неистовых метаний вещества в активной области, оно способно помешать серьезной утечке избыточной энергии. Затем энергия, столь экономно накопленная, разом высвобождается в виде единого мощного потока, в котором выделяется до 10²⁵ джоулей; эта энергия равна энергии, испускаемой всем Солнцем за одну двадцатую долю секунды, или полному количеству солнечной энергии, получаемой планетой Земля в течение целого года! Выброс массы во время такого события достигает 10 млрд. т, и вся эта масса уносится от Солнца со скоростью 1000 км в секунду, причем отдельные частицы достигают скорости, равной половине скорости света.

Исследования вспышек на обсерваториях, проводящих оптические наблюдения, дополняются наблюдениями со спутников и ракет. При распространении вспышечного процесса через хромосферу и корону генерируется поток жесткого рентгеновского излучения, интенсивность которого менее чем за минуту достигает своего максимального значения. Излучение возникает, когда предварительно очень сильно ускоренные электроны резко тормозятся при столкновении с веществом вне самой вспышки. Большая часть генерируемого таким образом рентгеновского излучения возникает в плотной нижней хромосфере. Когда поток энергии достигает хромосферы, там происходит взрывообразный процесс нагрева вещества. Картина по своему виду напоминает взрыв газового пузыря, по которому полоснули лучом импульсного лазера. С гигантской скоростью, большей скорости ухода вещества от Солнца, расширяющаяся взрывная волна вырывается наружу, унося с собой в межпланетное пространство 10 млрд. т вещества дневной звезды.

На Солнце нет простых процессов, не прост и взрыв в атмосфере. Взрывная волна захватывает и уносит с собой часть магнитного поля, и движущиеся силовые линии этого поля могут действовать подобно гигантским ускорителям частиц. Ядерные частицы ускоряются до очень высоких энергий, хотя, если быть честным, ни один теоретик в действительности не понимает, как это происходит. Одним из следствий этого ускорения является образование дейтерия в результате достаточно жестких столкновений протонов и нейтронов; как я уже упоминал, гамма-лучи, испускаемые образующимися в атмосфере частицами дейтерия, были обнаружены.

Другой импульс гамма-излучения, регистрируемый от Солнца, обязан своим происхождением взаимной аннигиляции электронно-позитронных пар. Позитрон — это античастица электрона, и когда частица и античастица сталкиваются, что, по-видимому, и происходит в солнечных вспышках, они исчезают, рождая два фотона гамма-излучения одной и той же энергии — энергии, единственным образом характеризующей аннигиляцию данной электронно-позитронной пары. Наблюдаются и другие линии гамма-излучения, возникающие, вероятно, в результате столкновений между заряженными ядерными частицами и нейтронами.

Кроме очень энергичного рентгеновского и гамма-излучения регистрируется также и более мягкое рентгеновское излучение с тепловым спектром. Оно, как полагают, возникает в окружающей вспышку корональной плазме, которая во время вспышечного процесса была нагрета примерна до 10 млн. К. Подобный же механизм приводит к ультрафиолетовому излучению, которое, согласно наблюдениям, исходит из хромосферы.

Во время вспышки не сидят без дела и солнечные радиоастрономы. Значительная доля шумового радиоизлучения возбуждается заряженными частицами, захваченными движущимися магнитными полями. Большие солнечные вспышки часто сопровождаются всплесками шумового радиоизлучения на метровых длинах волн, которые включают в себя и всплески, известные под названием всплесков II типа. (Различные типы шумового радиоизлучения были классифицированы радиоастрономами как всплески I, II и т. д. типа, но лишь всплески II типа и III типа, по-видимому, непосредственно связаны со вспышками.) Через некоторое время после начала вспышки излучение становится заметным и на более низких частотах. Для его регистрации были сконструированы специальные приемники радиоизлучения. Эти радиовсплески начинаются примерно через десять минут после начала вспышки в оптическом диапазоне и продолжаются в течение примерно того же самого интервала времени. Они возбуждаются потоками ускоренных во вспышке частиц. Пучок частиц, пронизывая внешнюю солнечную атмосферу, при своем движении от Солнца способен возбуждать излучение на все более низких частотах. И действительно, с космического аппарата были зарегистрированы всплески на частотах с нижней границей до 300 кГц,, которые приходили с расстояния, более чем на тридцать солнечных радиусов отстоящего от солнечного лимба.

Развитие радиовсплесков во времени в виде последовательности прекрасных радиоизображений Солнца было проиллюстрировано австралийскими учеными под руководством Поля Вилда на Калгарской обсерватории в Новом Южном Уэльсе. Это высокоточный австралийский инструмент — интерферометр, состоящий из 96 элементов. Его назначение — дважды в секунду строить радиоизображение окрестностей Солнца. Изображение Солнца в радиодиапазоне представляет собой мозаику из кружков, диаметр каждого из которых приблизительно равен двум минутам дуги, что соответствует на Солнце примерно 100 000 км. Радиотелескоп не только регистрирует всплески II типа при их распространении от Солнца в космическое пространство, но и может строить радиоизображение гигантских протуберанцев.

Как видно из этой главы, Солнце —это слабопеременная магнитная звезда. Мы видим детали его магнитного поля с таким разрешением, которое немыслимо для других звезд. В то же время, если сравнить это магнитное поле с полями действительно магнитных звезд — белых карликов и нейтронных звезд, — оно весьма незначительно. Тем не менее это относительно слабое магнитное поле оказывает заметное воздействие на динамику поведения солнечной атмосферы и служит причиной целого ряда энергичных явлений: протуберанцев, шумовых бурь и вспышек. Находящееся под фотосферой магнитное поле контролирует рождение пар солнечных пятен. И пока продолжается дифференциальное вращение—машина, эффективно наматывающая силовые линии, — Солнце претерпевает свой уже знакомый цикл изменений. Но всегда ли так было? Существуют очень убедительные свидетельства, указывающие на то, что Солнце флуктуирует с периодами порядка столетий.

Хотя о магнитном поле Солнца мы знаем больше, чем о поле любой другой звезды, мы все еще слишком далеки от понимания механизма и природы этого магнетизма. И хотя я нарисовал качественную картину (или лучше сказать — дал некоторое представление) того, каким образом, возможно, возникают и развиваются солнечные пятна и вспышки, большинство исследователей правдиво скажут, что ни одно из этих явлений пока еще как следует не понято. У нас, безусловно, нет законченной теории первоначальной генерации магнитного поля или механизма периодической смены его знака. Многие вопросы все еще остаются без ответа. Каким образом вспышки накапливают магнитную энергию, до того как бомба взорвется? И что является запалом для бомбы? Это проблемы переднего края исследований, и поэтому в течение следующих нескольких лет их детальное рассмотрение будет продолжаться.

В заслугу исследованиям активного Солнца можно поставить то, что эти исследования привели к огромным достижениям в астрономии, астрофизике и физике плазмы.

На заре своей истории радиоастрономия была обязана своим развитием не только своим научным достижениям, но и тому, что могла претендовать на большую долю научных бюджетов, обусловленным, в частности, многообразием проявлений и форм солнечного радиоизлучения — темы, которой мы лишь коснулись здесь. Открытия в солнечной атмосфере, которую можно рассматривать как дешевую доступную естественную лабораторию, оказали очень сильное влияние на физику плазмы, — науку, исследующую, как движется и ведет себя горячая плазма при наличии магнитного поля. В истории человечества вторичное открытие солнечных пятен в XVII веке привело к существенному изменению сознания людей (наблюдая природу, доверяйте доводам своего разума, а догма пусть позаботится о себе сама), которое и заложило основу для совершенно нового научного века. Мы не должны забывать и о вызывающих трепет радиогалактиках и квазарах, неисчерпаемых источниках космической энергии в бесконечных далях Вселенной. Возможно, лишь немногое из того, что мы пытались узнать так близко от дома, может быть применимо к этим экзотическим объектам. Характерные для солнечной вспышки механизмы ускорения электронов, удержание магнитными полями, перераспределение энергии большого числа отдельных частиц в огромную энергию малого числа частиц — все эти и многие другие явления могут, вероятно, найти приложение в радиогалактиках, остатках сверхновых и рентгеновских звездах.

Одним из самых глубоких и острых вопросов, который мы можем поставить, является вопрос: как в действительности возникает солнечное магнитное поле? Солнце состоит из вещества с высокой электрической проводимостью, поэтому магнитное поле «вмораживается» в движущуюся плазму. Тот факт, что перемешанное вещество увлекает за собой магнитное поле, делает проблему исследования солнечного магнитного поля трудной для астрономии задачей. Разнообразные движения в плазме индуцируют электрическое и магнитное поля, создавая тем самым условия, способствующие установлению динамо внутри Солнца. В начале XX столетия Дж. Лармор предложил элементарную теорию солнечного магнитного поля, поддерживаемого за счет действия динамо. У.М.Эльзассер в 1940-х годах возродил эту теорию; далее в течение двух последующих десятилетий она был развита Е.Н.Паркером. По существу, теория предполагает, что магнитное поле уже существует, и стремится объяснить, как это поле может поддерживаться при условии, что вещество на Солнце является хорошим проводником электричества. Предположение о том, что на Солнце существует некоторое начальное магнитное поле, в действительности не содержит никаких серьезных трудностей. Магнитное поле существует в Галактике повсюду, поэтому при своем сжатии солнечная туманность совершенно спокойно могла захватить часть этого общемирового поля, сжимая и усиливая его по мере образования протосолнца.

Задача теории динамо заключается в том, чтобы показать, каким образом проводящая плазма, движущаяся в магнитном поле, может генерировать электрические токи, которые поддерживают магнитное поле вопреки его естественной тенденции к диссипации. Это — самовозбуждающееся или самоподдерживающееся динамо. Возможность его существования была установлена Е.К.Баллардом в 1949 г. Первые попытки Паркера решить эту проблему показали, что некоторые виды магнитного поля могут усиливаться за счет наматывающих движений солнечного дифференциального вращения. Более поздние работы, связывающие поле солнечных пятен, дифференциальное вращение и полный цикл солнечных пятен со слабым общим полем, укрепили уверенность астрономов в теории динамо. Тем не менее у нее пока еще нет прочной основы, и такой основы не будет до тех пор, пока расчеты и вычисления не оставят каких-либо сомнений относительно механизма действия динамо.