Как устроено
Мы все привыкли к тому, что чувствуем тепло, когда стоим рядом с печкой, но стоит отойти подальше — становится холоднее. На Солнце все по-другому. Самый нижний слой его поверхности, который мы видим, называется фотосферой. Если двигаться выше, за ней будет так называемая хромосфера, чуть красноватая из-за ионизации водорода, и солнечная корона. Источник тепла находится внутри Солнца, и температура там в среднем составляет примерно пять тысяч градусов. Но выше температура начинает расти, и в короне она достигает нескольких миллионов градусов. Корону можно детально разглядеть во время полного солнечного затмения. Это удивительное зрелище, одно из немногих природных явлений, которое обязательно нужно посмотреть всем.
В фотосфере можно разглядеть солнечные пятна, и, поскольку эта звезда находится к нам ближе всех остальных, мы можем увидеть их в высоком разрешении. Если увеличить такое пятно, то мы увидим вокруг него постоянно меняющиеся гранулы. Они появляются из-за процесса, похожего на кипение в обычном чайнике: энергия изнутри солнца передается к поверхности так же, как горячая вода от дна к поверхности воды, и этот процесс называется конвекцией. Каждая такая гранула — это конвективная ячейка. Физика тут достаточно проста, но, если сравнить размеры одной такой гранулы с размерами России, на карте их поместится всего штук шесть.
Солнечные пятна были открыты еще во времена Галилео Галилея, и историки спорят, кто именно был первооткрывателем. Одним из исследователей, внесших значительный вклад в их исследование, был немецкий астроном Генрих Швабе. Он рисовал солнечные пятна в течение семнадцати лет, обнаружил, что они меняются, и тем самым открыл то, что мы сейчас называем циклом солнечной активности. Есть периоды, когда солнечных пятен становится меньше и больше, и Швабе установил, что один такой цикл занимает десять-одиннадцать лет. Позднее удалось выяснить, что бывают периоды, в которые пятен нет совсем, и оказалось, что годы, в которые на Земле становится очень холодно (например, Малый ледниковый период), совпадают с периодами снижения солнечной активности — такое явление называется минимум Маундера. Это одна из причин, по которым нам нужно исследовать солнечную активность, чтобы понять, как она влияет на климат нашей планеты.
По сравнению с временами Галилея мы сейчас можем наблюдать солнечные пятна гораздо детальнее. С телескопов на геостационарной орбите мы смотрим, как пятна «всплывают» на поверхности Солнца, как маленькие смерчи. Что происходит непосредственно под поверхностью Солнца, мы не видим, но мы можем строить модели расчета на основании методов, которые используют геологи. Когда они ищут месторождения полезных ископаемых, они производят взрыв, и на удалении от него измеряют скорость распространения звуковых волн. Проходя через слои с разной плотностью, волны меняют скорость, и по изменениям скорости геологи могут построить карту подземных месторождений и установить, где искать газ, нефть, воду. Сейсмология позволяет нам заглянуть и под поверхность Солнца, только теперь этот метод называется гелиосейсмологией, а если мы используем его для звезд, то это астросейсмология. Вместо прицельных взрывов мы используем конвекцию: каждая конвективная ячейка, всплывая, создает маленький взрыв, от нее распространяется тепловая волна, мы их измеряем и можем узнать, на какую глубину распространяется волна, как меняется форма пятна внизу, в глубине Солнца.
В нынешнем цикле активность Солнца чуть ниже, чем в предыдущем. Если сравнивать его с циклами с 1750 года, мы увидим, что нынешний, 24-й, очень похож на цикл 14 в начале XIX столетия. То есть можно сказать, что нынешняя активность Солнца не является чем-то уникальным, хотя и есть предсказания о том, что она будет снижаться и дальше.
Как увидеть
Телескопы, которые наблюдают за Солнцем, есть и на поверхности Земли, и на ее орбите. Например, в октябре 2006 года был запущен интересный парный спутник STEREO — ученые направили два спутника по той же орбите, на которой вокруг Солнца вращается Земля: один — по направлению движения Земли, другой — против. Называются они соответствующе: A — «ahead» и B — «behind». С 2006 года они расходились дальше друг от друга, и благодаря этому мы получали стереоскопическое изображение происходящего на Солнце, могли смотреть на него под разными углами. В 2014 году они встретились на обратной стороне и поменялись местами. К сожалению, один из спутников с тех пор работать перестал.
Другой интересный спутник — японский Hinode, запущенный в 2006 году. По-японски его название переводится как «восход солнца», и его орбита находится на линии между днем и ночью на нашей планете. А один из главных спутников, который находится на орбите с 2010 года и до сих пор, — американская обсерватория солнечной динамики, Solar Dynamics Observatory. Российских спутников, к сожалению, мало: в 2009 году был запущен Коронас-Фотон, который также наблюдал вспышки на солнце и выбросы протуберанцев, но он просуществовал всего около года. Кстати, если вы увлекаетесь любительской фотографией и когда-нибудь попадете на экватор, вы можете сфотографировать геостационарные спутники. Надо просто поставить камеру на длительную экспозицию и направить его в небо на какое-то время — звезды будут выглядеть световыми полосами, а спутники — неподвижными точками. Я сделал одну из таких фотографий, просто положив фотоаппарат на 3 часа на кирпич, никакого специального штатива для этого не нужно.
С помощью спутников мы можем выяснить, насколько динамичной звездой является Cолнце. Это просто гигантская астрофизическая лаборатория, благодаря которой мы можем понимать, как устроены другие звезды и мир вокруг нас. Например, на снимках вспышек можно увидеть множество белых точек — это заряженные частицы, радиация, которая прилетает в направлении спутника и воздействуют на его электронику. Солнечная корона постоянно испускает поток частиц, от которого нас защищает магнитное поле Земли. Если иллюстрировать это взаимодействие силовыми линиями магнитного поля, то можно показать, как они частично пересоединяются; частицы, которые вторгаются в магнитное поле Земли, попадают на полюса, и мы видим полярное сияние — пожалуй, второе потрясающее природное явление, которое тоже стоит увидеть каждому. Скоро зима — самое время для полярных сияний, так что советую планировать поездку в Мурманск.
Чем опасно
У полярного сияния есть и отрицательная сторона. Вы, наверное, слышали про такую вещь, как космическая погода. Точкой отсчета ее изучения можно назвать 1 сентября 1859 года. Некто Ричард Каррингтон любил наблюдать за солнечными пятнами, и во время одного из своих наблюдений он увидел в телескопе яркие полосы, которых раньше не было. Он не поверил своим глазам и побежал искать домашних, чтобы те тоже посмотрели в телескоп, но, когда он кого-то нашел, эти вспышки уже пропали. По стечению обстоятельств это была одна из самых сильных вспышек, которые ученые когда-либо могли наблюдать. На следующий день многие станции измерили очень сильные изменения магнитного поля земли, была сильная геомагнитная буря, и полярные сияния наблюдали далеко на юге — есть записи о наблюдениях в Риме и даже на Гавайях.
В то время, конечно, не было таких высокотехнологичных систем, как у нас сейчас, — главной глобальной системой связи был телеграф. Чтобы он работал, на каждой станции стояла батарея, но, когда произошла магнитная буря, на многих из станций начались пожары — электрический ток тек с такой большой амплитудой, что провода начинали загораться. Описаны случаи, что операторы отключали батареи и общались на многие километры без них. Это объясняется простой физикой из курса средней школы — теоремой Ампера и законом Фарадея: когда у нас есть электрический ток, наводится магнитное поле, а когда меняется магнитное поле, наводится электрический ток. То же самое происходит в нашей атмосфере: частицы, которые поймала наша магнитосфера, движутся от одного полюса к другому, создают переменное магнитное поле, что создает ток в длинных проводниках, которыми могут быть наши линии электропередач или, например, морская вода. В таких случаях для нас начинаются проблемы. В марте 1989 года произошел крупный корональный выброс, и в результате один из больших трансформаторов в канадской провинции Квебек вышел их строя. Если в энергосистеме один из элементов выходит из строя, нагрузка перераспределяется на другие, и если спину верблюда ломает одна последняя соломинка, то здесь всю солому просто перекладывают на других верблюдов. В результате из строя вышло большое количество станций, в Северной Америке были очень большие проблемы с энергоснабжением, в районе Нью-Йорка шесть миллионов человек были без электроэнергии по крайней мере девять часов.
Со спутниками тоже все не так гладко. Они летают на низкой орбите, но во время магнитной бури электрические токи, которые начинают течь в атмосфере, делают с атмосферой то же, что и с проводами — нагревают. Воздух расширяется и достигает высот, где спутники раньше летали без воздуха, и возникает такое явление, как атмосферное торможение. Те, кто водят машину, знают, как машина начинает сбрасывать скорость в глубокой луже — то же происходит и со спутниками, они теряют скорость, переходят на более низкую орбиту, а потом сгорают. Это произошло с американской космической станцией Skylab, которая сгорела в атмосфере раньше, чем планировалось. Из строя могут выйти солнечные панели, возникают разряды статического электричества, в худшем случае электростатический разряд может испортить аппаратуру, но были случаи, когда компьютер воспринимал их как команду. И хорошо, если это команда закрыть телескоп, а не выпустить ракету.
Таким ситуациям помешать мы не можем, но благодаря современным научным методам мы можем их предсказать. И, если нам удается узнать время следующей аномалии, это помогает избежать глобальной катастрофы.
