Открытие загадочного солнечного ритма заинтересовало астронома Цюрихской обсерватории Рудольфа Вольфа.
Он собрал все телескопические наблюдения солнечных пятен, а также их описание в старинных хрониках. За больший промежуток времени четче выражается и ритм солнечного пульса. В 1852 году Вольф нашел, что максимальное количество пятен заполняет солнечный диск каждые 11,1 года (а не раз в 10 лет, как подсчитал Швабе). Три года спустя, став директором Цюрихской обсерватории, Вольф впервые организовал постоянные систематические наблюдения солнечных пятен — наглядного выражения так называемой солнечной активности.
Примеру Вольфа вскоре последовали и астрономы других обсерваторий. Постепенно сложилась «служба Солнца» — регулярные, никогда не прекращающиеся доныне наблюдения Солнца на множестве обсерваторий земного шара. Кроме того, Вольф обнаружил связи солнечной активности с полярными сияниями, магнитными бурями и другими явлениями на Земле. Это был один из первооткрывателей Солнца, астроном-специалист, всю свою жизнь посвятивший изучению Солнца и солнечно-земных связей. Не подумайте, что после Вольфа астрономы-любители, исследователи Солнца, уже не совершали открытий.
Приведу только один пример.
В Московском планетарии много лет в должности заведующего диапозитивным фондом работал Алексей Петрович Моисеев. Впервые я его увидел в 1934 году на заседании отдела Солнца Московского астрономо-геодезического общества. Высокого роста, худощавый, скромно одетый, Моисеев не любил говорить о себе, о своих открытиях.
Долгое время я не знал, что этот уже немолодой любитель астрономии, вооруженный астрономической трубой с поперечником объектива всего 34 мм, внес большой вклад в изучение Солнца и его активности.
Моисеев открыл, что радужные кольца вокруг Солнца и Луны, так называемые галосы, связаны с солнечными пятнами. С теми же пятнами, по его исследованиям, связаны частота появления перистых облаков, частота и сила гроз.
Это был терпеливый исследователь природы, буквально каждый день наблюдавший Солнце. И так из года в год, из десятилетия в десятилетие.
Легко понять, что в один и тот же момент в большой телескоп на Солнце увидишь пятен гораздо больше, чем к маленький. Чтобы сравнить между собой столь разнородные наблюдения, их путем расчетов приводят (редуцируют) к какому-нибудь телескопу, принимаемому за стандарт. Иначе говоря, теоретически подсчитывают, что можно было бы увидеть, если заменить данный телескоп стандартным.
За рубежом «стандартным» телескопом издавна считался тот, в который когда-то наблюдал Вольф. В Советском Союзе долгое время все наблюдения солнечных пятен редуцировали к крошечному телескопу Алексея Петровича Моисеева.
Это ли не знак уважения скромного труженика науки, не имевшего официального диплома астронома, но всей своей жизнью показавшего себя настоящим ученым?
Мы живем внутри Солнца
Доказывать значимость Солнца для человека — это ломиться в открытую дверь. Разве не очевидно, что Солнце — источник всякой жизни на нашей планете? Погасни вдруг Солнце, и за какие-нибудь считанные сутки, а то и часы погибнет все живое, и мертвая Земля почти в полном мраке продолжит свое кружение вокруг невидимого Солнца.
И все-таки многие недооценивают роль Солнца в жизни земной биосферы. Отчасти это результат заблуждения — Солнце представляется нам почти бесконечно далеким от Земли. На самом же деле мы в буквальном смысле слова живем внутри Солнца. Усвоив эту истину, мы легче поймем ту роль великого дирижера для всего живого, которую повседневно выполняет Солнце.
Самое простое
Человек несравнимо меньше Солнца. Солнце несравненно проще человека. Мы с вами — самое сложное из всего, что пока доступно нашему познанию. Звезды, а значит, и Солнце, эта рядовая звезда, очень просты по своему устройству. Пожалуй, звезды — самые простые тела космоса. Убедимся в этом на примере Солнца.
Итак, попробуем представить себе исполинский, очень горячий газовый шар в миллион с третью раз превосходящий по объему Землю. Шар, из вещества которого удалось бы слепить 333 тысячи таких же массивных шаров, как земной. Впрочем, употребляя это последнее сравнение, мы имеем в виду лишь соотношение масс, а не химический состав.
С точки зрения химии, Солнце предельно просто. Два самых простых химических элемента составляют почти всю его массу: на 85 % Солнце состоит из водорода, на 13 % — из гелия.
В этом водородно-гелиевом шаре все остальные элементы участвуют лишь в качестве примесей, в общей сложности составляющих лишь 2 % солнечной массы.
Легко понять, что с углублением в солнечный шар давление непрерывно растет. Внешние слои давят на внутренние, и в центре Солнца давление достигает 10 миллиардов атмосфер! При этом, не теряя основных свойств обычного газа, вещество в центре Солнца тем не менее в десятки раз плотнее платины (его плотность близка к 100 г /см3).
Когда долго качаешь автомобильный насос, он заметно нагревается. Удивительно ли после этого, что температура в центре Солнца измеряется 15 миллионами градусов?
Заметим, что и эта величина может быть получена в результате несложных расчетов. Куда труднее разгадать, какие процессы совершаются в глубинах Солнца, в его центральных областях. Совсем не прост вопрос, почему светит Солнце.
Давно уже признано, что ни механическая энергия (сжатие Солнца), ни обычные химические реакции (скажем, горение) не могут обеспечить чрезвычайно длительной жизни Солнца (по меньшей мере миллиарды лет!).
Единственный возможный источник солнечной энергии — ядерные реакции. Скорее всего, в недрах Солнца осуществляется так называемый протон-протонный цикл, в итоге которого водород медленно «перегорает» в гелий. Протон-протонный цикл можно представить себе так:
Этап первый: два протона (обозначим их Я1 и Я1), взаимодействуя, превращаются в ядро дейтерия D2 — изотоп водорода. При этом образуется также позитрон («положительпый электрон») |3+ и знаменитое нейтрино v — частица неуловимо малой массы, лишенная электрического заряда.
Всю эту цепочку превращений можно записать так:
Н1 + Н1 — > D2 + β+ + ν.
Этап второй: дейтерий, реагируя, или, точнее, как бы «сливаясь», с новым протоном, образуют изотоп гелия Не3 и гамма-квант γ, то есть элементарно малую порцию электромагнитного излучения. Символически запишем:
D2 + Н1 — > Не3 + γ
И, наконец, этап третий, окончательный. Два ядра изотопа гелия 2Не3 превращаются в ядро обычного гелия Не4 и два новых протона 2Н1. Вот соответствующая запись:
2Не3 — > Не4 + 2Н1.
Кому показались сложными все эти рассуждения и формулы, пусть обратит внимание на главное, самое существенное. Исходным материалом в протон-протонном цикле служит водород или, точнее, протоны — ядра атомов водорода. Все начинается со «слияния» двух протонов — отсюда и название цикла. Конечный же новый продукт — ядра атомов гелия. Итак, в ходе непрерывно действующих ядерных реакций водород в недрах Солнца преобразуется в гелий.
Ядерные реакции в недрах Солнца.
Остается уточнить одну важную деталь. В недрах Солнца, в условиях почти непредставимых давлений и температур атомы водорода лишены электронных оболочек.
Электроны, покинувшие свои атомы, и ядра атомов водорода и гелия (то есть протоны и альфа-частицы) — все это сплошь перемешано и образует электрически нейтральную смесь— солнечную плазму. Толчея и неразбериха там полная. Но это только с первого взгляда. А если приглядеться (конечно, глазом теоретика), увидишь постоянно совершающийся, направленный в одну сторону процесс — превращение протонов в альфа-частицы, то есть ядра атомов гелия.
Вот теперь можно пояснить, почему светит Солнце.
Напомним азы ядерной физики.
Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Такое ядро в недрах Солнца может возникнуть из четырех протонов, причем два из них превратятся в нейтроны.
Но вот что важно. Возникшее в этом процессе ядро гелия, или альфа-частица, несколько легче, чем взятые вместе четыре протона — те самые, которые ее породили. Куда же делась остальная масса вещества? Оказывается, она превратилась в свет, в излучение, то есть в иную форму материи. Именно так и создается электромагнитное излучение Солнца — источник жизни на нашей Земле.
«Дефект массы», то есть избыток массы вещества, превратившийся в излучение, для каждой возникшей альфа-частицы, конечно, ничтожно мал. Но, во-первых, таких частиц неимоверно много, и, во-вторых, превращение вещества в излучение подчиняется знаменитой формуле Эйнштейна
