В погоне за Солнцем (другой перевод)

Однако, как писал Стюарт Кларк, “вспышка Кэррингтона стала важной вехой в астрономии”. Внезапная демонстрация Солнцем своей возможности разрушить жизнь на Земле толкнула астрономов на “безрассудную гонку за проникновением в суть солнечной природы” [366] . К 1890-м годам общим мнением о пятнах было то, что они возникали из-за сильных циклонов, что сподвигло великого американского астронома Джорджа Эллери Хейла (1868–1938) исследовать их магнитную активность. Используя для этой цели спектрогелиограф (прибор, объединяющий спектрограф и нечто подобное кинокамере), он сделал снимки Солнца, где были видны огромные сгустки водорода, затягиваемые в центр солнечного пятна словно в водоворот [367] . Хейл наблюдал две крупные вспышки, каждая из которых сопровождалась серьезными магнитными бурями на Земле, 19,5 и 30 ч спустя. В 1908 году он показал, что пятна в действительности были гигантскими циклонами в солнечной атмосфере, их образование напоминало ураганы и смерчи, возникающие в Вест-Индии и разоряющие американское побережье Мексиканского залива. Активность солнечных пятен и земной климат были не просто связаны, они были связаны магнитно.

366

Stuart Clark, The Sun Kings: The Unexpected Tragedy of Richard Carrington and the Tale of How Modern Astronomy Began. Princeton, N. J.: Princeton University Press, 2007. Р. 23.

367

Первый снимок Солнца, дагерротип, был сделан в 1845 году французскими физиками Арманом-Ипполитом-Луи Физо (1819–1896) и Леоном Фуко (1819–1868). Фуко широко известен благодаря маятнику Фуко, который демонстрирует вращение Земли.

Немецкий астроном Кристоф Шайнер (1573–1650) наблюдает солнечные пятна с помощью ассистента (SPL / Photo Researchers, Inc.)

Вывод Хейла о магнитной природе пятен согласовывался с наблюдениями во время полных затмений, когда над пятнами были заметны линии, формой подобные линиям магнитного поля. Эти линии, вырываясь из солнечной поверхности, испещряли ее положительными и отрицательными векторами магнитного поля и формировали колоссальные извержения, которые выбрасывались на тысячи миль над поверхностью, перед тем как упасть обратно [368] . Теория Гейла позволила измерить радиацию солнечных пятен, которая возникала в глубоких слоях Солнца, а также объясняла природу пятен и их воздействие на климат Земли.

368

См.: Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics. Р. 3203.

Солнечные пятна можно сравнить со снежинками – каждое уникально, но все обладают сходной структурой. Все они имеют примерную форму окружности с диаматром от 1865 до 18 650 миль, хотя Хейл наблюдал пятно шириной в 81 тыс. миль, в десять раз больше диаметра Земли. В центре каждого бурлящего пятна лежит так называемая тень, которая кажется более темной из-за контраста с более яркой поверхностью вокруг, но в изолированном состоянии ее яркость сопоставима с полной Луной на черном небе. Тень, как правило, имеет температуру около 4300 °К (астрономическая единица измерения температуры, абсолютный ноль по Кельвину – это –273 °C), что примерно на 2100 °К холоднее, чем окружающая фотосфера, и расположена на 450 миль ниже, ближе к поверхности. Тень занимает в среднем одну пятую часть пятна и окружена волокнистой серой полутенью, напоминающей лепестки цветка. Температура полутени – три четверти температуры фотосферы (которая составляет поверхность пятна). Эти три части и есть пятно на разных уровнях глубины: фотосфера, полутень и – самая глубокая – тень [369] .

369

См.: Mitton, Daytime Star. Р. 130. См. также: William Livingston and Arvind Bhatnagar, Fundamentals of Solar Astronomy. New Jersey: World Scientific Publishing, 2005.

До сих пор остается загадкой, почему центр пятна менее горяч, чем полутень или поверхность Солнца. Все, что мы точно знаем, – это что каждый из гигантских воронкообразных вихрей во внешних слоях Солнца работает охлаждающим механизмом, а центр магнитного поля находится в его самой темной и холодной точке – в тени [370] .

За несколько лет до исследований Хейла суперинтендант Королевской обсерватории в Гринвиче Эдвард Уолтер Маундер (1851–1928) также занимался собственными исследованиями. Заинтересовавшись пятнами в четырнадцать лет, он регистрировал их предельные размеры до своих двадцати шести. В течение следующих тридцати лет он занимался масштабным сбором фотографий солнечных пятен, саккумулировав несколько тысяч снимков 5 тыс. скоплений. Маундер романтически представлял свое дело как фиксацию солнечного портрета и однажды написал, что получение спектра солнечного пятна подобно заглядыванию в его душу.

370

W. Livingston, J. W. Harvey, O. V. Malenchenko, and L. Webster, Sunspots with the Strongest Magnetic Fields, Solar Physics. Vol. 239. 2006. № 1–2. Декабрь. Р. 41–68.

Он обнаружил, что магнитный поток стремительно нарастает в начальный период жизни пятна, а затем начинает постепенно снижаться. Его снимки показывали, что, если откладывать показатель широты солнечных пятен по оси одиннадцатилетних циклов, их расположение образует рисунок, слегка напоминающий трех бабочек, летящих на запад: первое пятно в этой цепочке было обозначено как “лидер” и представляло один магнитный полюс, а последующие обладали противоположной полярностью. Как заметил еще Галилей, все пятна пересекают солнечный диск по прямым линиям, обычно парами. Они начинают движение вместе, затем расходятся по мере продвижения, иногда на расстояние до 20° солнечной окружности, но всегда двигаясь параллельно экватору. В конце каждого цикла полярность меняется, так что в северном полушарии “лидер” имеет отрицательную полярность, а в южном – положительную. Цикл состоит из двух одиннадцатилетних частей и завершается за двадцать два года плюс-минус несколько месяцев. Удивительным образом на пике цикла, когда пятна наиболее многочисленны, Солнце светит значительно ярче, чем когда их меньше. Цикл является частью общей картины солнечной активности, куда кроме движения пятен входят и протуберанцы, вспышки, дожди частиц солнечного ветра, космические лучи, энергетические протоны – незначительная, но довольно мощная доля этой активности достигает Земли, порой в течение 15 мин после выброса на Солнце.

Можно сформулировать иначе: во время солнечных вспышек магнитные поля, вырывающиеся из глубин звезды, высвобождают космические лучи с высокой энергией. Маундер предположил, что иногда эти лучи отклоняются от Земли, что приводит к ее охлаждению. Например, в 1536 году Генрих VIII и его свита могли кататься на санях по Темзе от Лондона до Гринвича, а во время страшной зимы 1709 года вино замерзало в стаканах на торжественном ужине Короля Солнце.

Стимул для следующего шага вперед появился неожиданно. Вскоре после Первой мировой войны Эндрю Дуглас (1867–1962) из Университета Аризоны основал новую науку дендрохронологию – изучение древесных колец, чья ширина на срезе (шире в хорошие для роста годы, уже в плохие) предоставляет запись климатических изменений на протяжении жизни дерева. Дуглас предположил, что деревья, самые долгоживущие организмы на Земле, – единственные представители растительного мира, которые могут предоставить надежные записи такого рода, поскольку все остальные полностью перегнивают в почве. Вскоре он заметил, что годы быстрого роста чередуются с периодами замедленного развития. В среднем любые два периода развития разделялись десятью – двенадцатью кольцами.

Прекрасным утром 1922 года Дуглас неожиданно получил письмо от Маундера, в котором тот кратко описывал гипотезу об отсутствии пятен между 1645 и 1715 годами и предполагал, что Дуглас “может обнаружить это в древесных кольцах” [371] . Это разожгло любопытство Дугласа, и он начал изучать стропила старых построек и деревья-старожилы, например аризонские сосны и калифорнийские мамонтовые деревья. Как и следовало ожидать, их кольца обнаруживали картину медленного роста именно в тот период, когда пятна прекращались и Земля оказывалась в длительных объятиях холода. Впрочем, этого было недостаточно для полного подтверждения гипотезы. Маундер умер в 1928 году, не дождавшись признания своих теорий [372] .

371

См.: F. E. Zeuner, Dating the Past. London: Sutton, 1952. Р. 19.

372

В 1937 году ученый из MIT и Гарварда Х. Тру Стетсон обнаружил новые улики – кроличьи шкурки. Записи о сборе пушнины в архивах Hudson’s Bay Company показывали значительные колебания в количестве собранных шкур лис, рысей и кроликов с периодом в 10–11 лет. Почти каждый пик “достаточно близко” соответствовал нехватке пятен. “Если пятна имеют какое-то отношение к популяции кроликов, а годы пятен положительно влияют на рост деревьев, то возникает вопрос – почему кролики более многочисленны в годы минимальных пятен и малочисленны, когда пятен много. Возможно, охотники под воздействием пятен более энергично уничтожали популяцию кроликов в годы максимума или же другие животные, естественные враги этих маленьких четвероногих, размножались лучше в эти же периоды” (Harlan True Stetson, Sunspots and Their Effects. N. Y.: Whittlesey House [McGraw-Hill], 1937. Р. 43). Но и этот аргумент не смог убедить скептиков.

Срез шотландской сосны из леса в Пруссии, посаженной примерно в 1820-м и спиленной в 1912 году. Стрелки, поставленные Дугласом, отмечают годы максимальной активности солнечных пятен, выявляя очевидную связь с максимальным ростом (Courtesy of the Laboratory of Tree-Ring Research, University of Arizona)

Маундер был не одинок в своих гипотезах о воздействии солнечных пятен, как и в противостоянии скептицизму, с которым эти гипотезы сталкивались. Начиная с самых первых наблюдений пятен одни размышляли об их влиянии на земную жизнь, а другие высмеивали их: еще в декабре 1975 года Уильям Гершель прочитал первый доклад (из предполагавшейся серии) о Солнце и его воздействии на Землю перед цветом Королевского общества, где сообщал об открытии пяти периодов слабой солнечной активности, во время которых цена на пшеницу поднималась. Он связывал это с необычно долгими периодами засухи. Большинство аудитории высмеяло его (Гершель даже отменил следующие доклады), но в то же время он выдвигал теорию, что в центре Солнце холодное и населенное, чего в те дни было совершенно достаточно, чтобы объявить человека сумасшедшим.

Связь солнечных пятен с земными событиями, казалось, станет уделом художественных произведений, и действительно, в 1892 году Марк Твен опубликовал повесть “Американский претендент”, где идея о солнечных пятнах, формирующих наш климат, была доведена до логического конца – солнечные пятна как большой бизнес. В конце повести полковник-прожектер Малберри Селлерс изобретает величайший план по сколачиванию состояния: он реорганизует земной климат, предоставляя под заказ климатические условия, а использованные климатические условия будет принимать обратно со скидкой. Каким образом? Используя “контроль над солнечными пятнами, понимаете, и применяя потрясающую энергию, которой они располагают, на благие цели реорганизации нашего климата” [373] .

373

Это напоминает о еще более ранней сатире – философской новелле “Расселас” (1759) Сэмюеля Джонсона. В главе “Астроном обнаруживает причины своей тревоги” ученый говорит Имлаку, от лица которого идет все повествование: “Я в течение пяти лет руководил погодой и распределением времен года… Солнце слушалось моих приказов и по моему слову переходило от тропика к тропику, облака по моему призыву изливали свою влагу, а Нил разливался по мановению моей руки” (Samuel Johnson, Rasselas, Poems, and Selected Prose, ed. Bernard H. Bronson. N. Y.: Henry Holt, 1965. Р. 592–93).

Твен, разумеется, насмехался над безумными схемами коммерсантов в той же мере, в которой подвергал сатире изменчивые теории ученых. Но должно было пройти много времени, чтобы убеждение Маундера о наличии связи между солнечной активностью и колебаниями магнитного поля Земли получило широкую поддержку. После Второй мировой войны физики стали проводить более интенсивный мониторинг солнечной активности. Но, несмотря на их усилия, данные, подтверждающие воздействие солнечных пятен, оставались случайными и спорадическими: вплоть до 1960-х начинающий исследователь, посвящающий себя изысканиям в этой области, рисковал получить репутацию большого чудака. А потом появился Эдди.

Джон А. Эдди (1931–2009), астроном в Университете Колорадо, занимался наблюдениями в университетской обсерватории High Altitude Observatory: в круг его интересов входила атмосфера Юпитера, солнечная корона, история физики Солнца и даже астрономия американских индейцев. Заинтригованный теориями Маундера, которые он позднее сравнил с “расшифровкой кумранских свитков солнечной физики”, он пытался понять, почему их окончательно списали со счетов. В начале 1970-х Эдди отправился в Таксон, в лабораторию исследования древесных колец, где не смог повторить результаты Дугласа (о корреляции между кольцами и климатическими изменениями). Он принялся за исследование истории полярных сияний, которые также связаны с солнечными пятнами, и установил, что их было очень немного в период, названный им “минимумом Маундера”. Наконец он обнаружил, что, когда Солнце магнитно активно, на нем возникает больше пятен и их совокупное магнитное воздействие уменьшает облучение Земли. Это приводит к образованию в земной атмосфере изотопа углерод-14, который затем откладывается в древесных кольцах. И, триумфально заключил Эдди, древесные кольца демонстрируют рост содержания углерода-14 между 1650 и 1715 годами [374] .

374

После Эдди исследователи изучали также годовые наносы речного ила и осадочные породы в озерах, пещерные минералы и отложения, слои пыльцы, геологические скважины и горные ледниковые залежи – все так или иначе имело следы холодного прикосновения “минимума Маундера”. Недавние исследования также смогли объяснить одну из самых больших загадок малого ледникового периода – почему он оказался преимущественно европейским феноменом. Было обнаружено, что всплески в ультрафиолетовом излучении Солнца ускоряют образование озона в стратосфере – слое атмосферы, лежащем в 20–30 милях над поверхностью планеты, – который в свою очередь поглощает больше ультрафиолета и нагревается. Стратосферные ветры влияют на погодные условия, а Европа им подвержена в особенной степени, потому что расположена под северным высотным струйным течением на такой долготе, что ее это затрагивает (Stuart Clark, Quiet Sun Puts Europe on Ice, New Scientist. 2010. 14 апреля).