К полному солнечному затмению астрономы всего мира начинают готовиться заблаговременно — за несколько лет.
Они создают новые приборы, готовят дорогостоящие экспедиции. Ученые не считаются ни с какими трудностями, лишь бы на несколько минут увидеть атмосферу сверкающего гиганта — солнечную корону, проследить за перемещением грандиозных огненных языков, исторгаемых Солнцем. Но зачем? Ведь, казалось бы, почти все о Солнце уже известно? Почти все. Вот это-то «почти» и гонит исследователей в далекие путешествия, иногда на противоположное полушарие Земли, лишь бы увидеть, как Луна полностью закрывает лик светила.
Уже давно было замечено, что форма короны и ее протяженность меняются. В годы спокойного Солнца корона наподобие крыльев вытягивается вдоль его экватора. (Не поэтому ли у древних египтян и появился священный символ — «крылатое солнце»?) В остальное же время корона имеет «растрепанный» вид; во все стороны от Солнца тянутся искривленные конусообразные лучи.
Поражает грандиозность короны. Если толщина земной атмосферной рубашки равна всего одной шестнадцатой радиуса нашей планеты, то видимая глазом корона простирается на 4—5 солнечных диаметров. Но ведь сила притяжения нашего светила значительно больше, чем Земли, и, следовательно, его атмосфера должна быть более сжатой. На деле оказывается не так. Отчего? Может, на этом огнедышащем гиганте все иначе, и он живет по своим собственным законам?
Раньше считалось, что солнечная корона — это нечто вроде пара над кипящим Солнцем. Однако в этом представлении было одно «но». Дело в том, что ядра гелия — одного из компонентов солнечного вещества — довольно тяжелые и, по расчетам, не могут быть выброшены с поверхности простым «испарением». И тем не менее, эти частицы в короне есть. Значит, чтобы объяснить их присутствие, нужны иные модели короны. Прежде всего следует выяснить, как же происходит разогрев атмосферы Солнца.
В короне протекают сложные процессы, приводящие к возникновению магнитогидродинамических волн. Кроме того, из-за мощных перемещений солнечного вещества, лежащего ниже видимой поверхности светила, возникают акустические волны. Вот эти-то волны и передают часть своей энергии окружающему газу, нагревая его. Такой процесс, как отмечает один из американских астрофизиков, напоминает действие мальчишки, который трением друг о друга зажигает две деревянные палочки. «Ведь это нас не удивляет, — говорит он, — хотя собственная температура мальчишки вряд ли более тридцати семи градусов».
То, что солнечные частицы могут нагреваться до высоких температур, приводило к интересной догадке: сильно разогнавшиеся частицы могут преодолевать притяжение Солнца и улетать от него на большие расстояния.
О том, что солнечные частицы могут покидать корону, говорил и другой факт. Астрономы уже давно отметили — хвосты комет всегда направлены в сторону от нашего светила. Но почему? Сначала решили, что виновато световое
давление, которое отталкивает крайне разреженное вещество комет. Однако расчеты показали, что этого давления совершенно недостаточно. Оставались необъясненными и другие явления, происходящие в кометах, — например, внезапное усиление свечения газов, находящихся в пометных хвостах.
Чтобы понять странности комет, следует предположить, что вместе со световыми частицами от Солнца идут и другие: протоны, альфа-частицы, электроны. И покидают они Солнце не эпизодически, не только во время появления на нем пятен или вспышек, а постоянно. Иначе хвосты отклонялись бы от Солнца только время от времени, следуя за увеличением его активности. А вспышки? Они связаны с увеличением потоков частиц при возрастании солнечной активности.
К этому времени в научной литературе всплыл еще один интересный факт. Правда, он относился не к Солнцу, а к нашей планете — Земле. Оказалось, что с увеличением высоты над ее поверхностью атмосфера не только не охлаждается, но даже нагревается.
Этот парадокс очень заинтересовал американского ученого, сотрудника высокогорной обсерватории в Боулдере, Сиднея Чепмена. А не может ли солнечная корона нагревать внешние слои атмосферы? Из общей теории он знал: разреженный ионизированный газ при высокой температуре должен проводить тепло. Это означало, что при температуре короны в миллион градусов между Солнцем и нашей планетой должен существовать большой тепловой поток. Если корона простирается до земной орбиты, то ее температура, даже на столь отдаленном расстоянии от светила, по расчетам Чепмена, должна быть около двухсот тысяч градусов.
Но может ли корона простираться до Земли?
Для вычислений Чепмен использовал барометрический закон: атмосфера будет устойчивой, если на любой высоте давление достаточно, чтобы поддерживать вес вышележащей части атмосферы. Исходя из примерной плотности короны вблизи Солнца он определил ее плотность у Земли. Она оказалась не такой уж ничтожно малой — где-то между 100 и 1000 атомов водорода в каждом кубическом сантиметре. Иными словами, корона заполняет пространство от Солнца до Земли.
Это было поразительное открытие. Получалось, что мы — жители солнечной короны! Но это же чрезвычайно важный для нас, людей Земли, факт! Ведь тогда становится очевидным тот мост, который соединяет Солнце с Землей. Уже давно было известно, что стоит только «разгневаться» нашему светилу и усилить свою активность (покрыться пятнами, вспышками, протуберанцами), как это сразу же сказывается на Земле. Нарушается радиосвязь, вспыхивают занавесы полярных сияний, увеличивается число дорожных аварий и сердечно-сосудистых заболеваний. Каждый вздох огненного гиганта передается нам, раз мы обитаем в его короне.
Межпланетная среда практически не оказывает сопротивления солнечным частицам — солнечному ветру, как называют сейчас этот поток. За пять дней частицы проходят около миллиона километров. Солнечный ветер, покинувший основание короны в воскресенье, дойдет до нас во вторник на следующей неделе. А двумя неделями позже он может достигнуть Юпитера.
В конце сороковых годов американский астроном Скотт Е. Форбуш, измеряя интенсивность космических лучей, достигавших Земли, обнаружил довольно странное явление. В годы высокой солнечной активности она сокращалась, как минимум, наполовину. Это было непонятно. Ведь Солнце само является поставщиком космических лучей. И казалось совершенно естественным, что при увеличении его активности поток частиц, достигающих Земли, должен возрастать.
Вот тут-то и появился на сцене шведский физик Ганнес Альфвен, создатель магнитогидродинамической теории, удостоенный впоследствии Нобелевской премии. Он высказал предположение, что движущийся от Солнца ионизированный газ должен нести с собой магнитное поле. Этот-то поток и выдувает из межпланетного пространства галактические космические частицы, и эффект тем сильнее, чем больше «сердится» Солнце, чем интенсивнее идут на нем активные процессы.
После очередного спада активности возрастание интенсивности космических лучей происходит с запозданием на полгода. По запаздыванию, оказывается, можно вычислить границу, которой достигает солнечный ветер. Как волне от брошенного в пруд камня нужно время, чтобы дойти до берега, так и галактические частицы после того, как перестала действовать «солнечная метла», доберутся до нашей планеты не мгновенно, а с некоторым запозданием. А так как скорость солнечного ветра известна, то простой расчет показывает, что его дуновение еще чувствуется на расстоянии в 40—45 астрономических единиц, то есть он затухает где-то у конца Солнечной системы — возле Плутона.
Измерения с космических аппаратов и искусственных спутников Земли с вытянутой орбитой, выходящей за пределы магнитосферы нашей планеты, показали, что здесь солнечный ветер дует со средней скоростью 300—500 километров в секунду. При увеличении активности Солнца увеличивается и скорость ветра. Была установлена и его плотность у Земли. Оказалось, что частицы в солнечном ветре разделены даже по земным понятиям большими расстояниями — в несколько миллиметров. В годы спокойного Солнца в одном кубическом сантиметре насчитывается едва ли 5—6 таких частиц.
Солнечный ветер, несмотря на то, что кажется слабым, может воздействовать на искусственные спутники Земли. Правда, тяжелым спутникам он не страшен. Зато большой, но легкий спутник «Эхо-1» был просто вытолкнут солнечным ветром с расчетной орбиты. Поэтому и не удивительно, что во многих странах мира конструируются «межпланетные яхты» — космические корабли, оснащенные «солнечными парусами» — этими простейшими и наиболее дешевыми из движителей. Так как в космосе практически нет среды, препятствующей движению, то даже слабого солнечного ветра хватит на то, чтобы разогнать космические яхты до больших скоростей, перенести космонавтов с одной планеты на другую. Солнечные паруса пригодны и для других работ: стабилизации спутников на орбите, перевода их с одной орбиты на другую, транспортировки грузов на космических парусниках.
Мы уже говорили, что при вспышке Солнце выбрасывает частицы вещества, главным образом протоны. В эти периоды солнечный ветер превращается в ураган, который дует со скоростью до 1000—2000 километров в секунду. Естественно, такой шторм будет сильно влиять на движение космических парусников, поэтому, составляя для них «график следования», необходимо знать и прогнозы солнечной деятельности.
Заряженные частицы солнечного ветра, достигая окрестностей Земли, взаимодействуют с магнитным полем. В 1957 году греческий физик-любитель Николай Христофилос выступил с сообщением, что заряженные частицы должны отклоняться магнитными силовыми линиями так, что будут двигаться по спирали вокруг них от северного магнитного полюса к южному и обратно. Из-за этого далеко за пределами атмосферы образуется область повышенной плотности заряженных частиц. Эта область должна напоминать бублик.
Сначала к этому сообщению отнеслись скептически. По-видимому, это было связано с тем что Христофилос был любителем. И все же его предсказания сбылись. В 1957 году советские физики С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков обнаружили зону повышенной интенсивности космических частиц в области высоких широт. В это же время американский ученый Джеймс Альфред Ван-Аллен открывает такую же зону близ экватора. Последующими работами советских и американских ученых удалось установить существование поясов радиации вокруг Земли.
Под действием солнечного ветра эта область приобретает каплевидную форму: в направлении к Солнцу образуется закругление, а с противоположной стороны — длинный хвост. В зависимости от активности Солнца радиационные пояса меняют свою форму, и знать эти изменения, особенно сейчас, с выходом человека в космос, очень важно. Но об этом мы поговорим в следующей главе. А теперь вернемся к радиоуглероду.
Мы выяснили, что солнечный ветер достигает нашей планеты. Не будем касаться тех многих и сложных эффектов, которые возникают при взаимодействии этого потока солнечных космических частиц с атмосферой. Нам достаточно знать, что в процессе такого взаимодействия получается углерод-14. А раз так, то радиоуглеродный метод и дендрохронология позволяют заглянуть в прошлое Солнца (необычайно важный вывод для ученых, занимающихся физикой Солнца). Зная частоту возникновения крупных вспышек, можно судить о том, было ли Солнце более активным в давние времена, или оно еще «разгорается». А определение количества радиоуглерода в максимумы активности светила или в периоды сильных вспышек позволяет вычислить энергию, выделенную Солнцем в эти периоды. Это дает ученым возможность судить о том, верны ли наши представления о светиле, об активных процессах, происходящих на нем.