Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце
Шрифт:
Захват частиц радиационными поясами происходит вследствие того, что электромагнитные силы вынуждают заряженные частицы двигаться по спирали вдоль силовых линий магнитного поля. Вблизи полюсов магнитного поля силовые линии сходятся вместе, образуя воронку, и на движущиеся по спирали частицы начинает действовать сила бокового сжатия. В результате образуется магнитное зеркало: частицы носятся взад и вперед от полюса к полюсу, проходя весь путь от одного полюса до другого самое большее за несколько секунд. Для того чтобы более ясно понять природу этих поясов, в 1958 и 1962 годах были выполнены эксперименты, которые в настоящее время кажутся безответственными. В космическом пространстве были взорваны ядерные бомбы с целью создать искусственные пояса заряженных частиц. В конце концов такая самодеятельность во внешнем космическом пространстве была прекращена международным
Рис. Магнитное поле и радиационные пояса земли.
Другой аспект физической связи между Солнцем и Землей проявляется в виде мерцающего света полярных сияний. Связь явления полярных сияний с магнитной активностью на Земле в действительности была установлена еще в XVIII веке. Теперь мы уверены в том, что активное Солнце ответственно за оба этих явления и что недостаток солнечных пятен во время минимума Маундера сопровождался отсутствием наблюдаемых проявлений полярных сияний с 1645 по 1715 год.
Рис. Полярное сияние — прекрасное напоминание о постоянном взаимодействии между Землей и Солнцем.
Большая часть света полярных сияний излучается атомами водорода и молекулами азота, которые возбуждаются за счет столкновений с низкоэнергичными электронами. Возмущения магнитного поля в хвосте магнитосферы вытряхивают электроны из хвоста в направлении Земли, где они и высыпаются на высоких широтах в области магнитных полюсов. На самом деле электроны при своем движении концентрируются в тонких слоях, что придает многим сияниям характерный вид свисающих штор. В действительности же реальные формы полярных сияний классифицировать трудно, хотя ученые и называют их по-разному — дуги, ленты, лучи и вуаль. Размеры могут меняться в очень широких пределах. Обычно они наблюдаются на высотах 100—150 км и по горизонтали могут иметь размеры от десятков метров (лучи полярного сияния) до тысяч километров (дуги или полосы).
Зоны полярных сияний, в которых наблюдателями на Земле отмечена наибольшая активность, находятся на широтах 67° к северу и югу от экватора и имеют ширину около 6°. Действительные размеры овальной области вокруг магнитного полюса, в которой происходят сияния, меняются. Ночью она обычно удалена от полюса на 22° или около того; это противоречит общепринятой, но неправильной точке зрения о том, что полярные сияния происходят над геомагнитным полюсом. Они образуют широкий овал, окружающий полюс.
Вследствие той связи, которая существует между полярными сияниями, свойствами магнитосферы и солнечной активностью, проявления полярных сияний зависят от солнечного цикла, 27-суточного среднего периода вращения Солнца вокруг своей оси, времени года и общего уровня магнитной активности. Обобщая вышесказанное, можно сказать, что наиболее эффективные полярные сияния наблюдаются вблизи максимума солнечной активности. Однажды во время полета из Лос-Анджелеса в Лондон по полярному маршруту, пересекавшему Южную Гренландию, я видел на 67° с.ш. удивительное полярное сияние в виде зеленых занавесей, мерцавших в лунном свете.
Цвет полярных сияний обычно красный или зеленый. Красный цвет излучается атомами кислорода, зеленый — молекулами азота. Излучение заметно также в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.
Солнце, таким образом, оказывает заметное воздействие на магнитную оболочку Земли. А как обстоит дело с окутывающей Землю атмосферой? Несомненно, Солнце должно действовать и на нее тоже. В последние годы поразительно вырос интерес к изменениям климата на Земле, причинам климатических изменений и прогнозу будущих тенденций изменения климата. Хотя в общем-то является общепринятым то, что астрономические факторы могут оказывать заметное влияние на климат, нет какого-либо определенного доказательства того, что какое-нибудь отдельное климатическое «событие» в прошлом, такое, например, как эпоха оледенения, может быть приписано астрономическим факторам. Одна из трудностей связана с тем, что хорошие данные о явлениях на Солнце у нас имеются всего лишь за последние три столетия, а тщательные измерения светимости Солнца охватывают менее одного столетия. Эти периоды времени слишком малы по сравнению с характерным временем климатических изменений на Земле, которое, по-видимому, характеризуется более длительными (несколько столетий) промежутками. Следовательно, для того, чтобы охватить данными достаточно продолжительный период, мы должны опираться на информацию о климате и об астрономических явлениях, полученную еще в те времена, когда инструментов для наблюдений не существовало. Мне, как астроному и неклиматологу, казалось, что получить достаточно надежную информацию о характеристиках как климата, так и Солнца за прошедший период трудно, хотя я никоим образом не хочу этим сказать, будто достижения в наших знаниях о Солнце и климате не были впечатляющими. Нет никакого сомнения в том, что климат менялся и продолжает меняться. Геологи отождествили несколько ледниковых периодов за последние 3 миллиона лет, в течение которых толстый слой льда покрывал значительную часть континентов. По геологической шкале времени лед отступил лишь недавно. Но причина ледниковых периодов все еще представляет собой предмет значительных разногласий, и мы не знаем, имеет ли отношение к этой проблеме влияние космоса или Солнца.
Так как это книга по астрономии, то прежде чем искать связь между Солнцем и климатом, я приведу свидетельства изменений Солнца. С некоторыми из этих свидетельств мы уже встречались в более ранних главах при рассмотрении солнечного цикла. Свидетельства отсутствия солнечной активности в XVII веке в период Маундеровского минимума очень убедительны и основаны на исторических записях. В 1960-х годах появился новый метод исследования солнечных вариаций в прошлом вплоть до нескольких тысяч лет назад. В его основе лежит метод измерения количества радиоактивного углерода в старых деревьях.
Радиоактивный углерод, или углерод-14, образуется в верхней части атмосферы Земли, там, где в атмосферу вторгаются пришедшие из дальнего космоса высокоэнергичные заряженные частицы. Когда Солнце активно и на нем много пятен, оно имеет протяженное магнитное поле. Это поле защищает внутреннюю Солнечную систему от высокоэнергичных космических лучей. Когда же Солнце спокойно, его магнитное поле обеспечивает худшую защиту. Тогда на планету попадает больше высокоэнергичных частиц и в верхней части атмосферы образуется больше углерода-14. Этот изотоп углерода имеет период полураспада 5730 лет, так что, если он где-либо был изолирован и накоплен (например, в древесине), можно определить, сколько углерода-14 было там вначале, при условии что он был захвачен не более нескольких тысяч лет назад.
Углерод-14 накапливается в деревьях. Рост растений определяется тем, что они поглощают из атмосферы двуокись углерода и под воздействием солнечного света образуют клетчатку (в состав молекул которой входят многочисленные атомы углерода) в виде вновь нарастающей древесины. Эта клетчатка откладывается каждый год внутри дерева в виде колец, содержащих небольшое количество углерода-14, поглощенного вместе с обычным углеродом.
Деревья-долгожители, такие, например, как известные секвойи, могут таким образом вести солнечную летопись в течение нескольких тысяч лет.
У этого метода существуют и ограничения. В конечном счете запись постепенно стирается за счет естественного распада углерода-14, так что на практике по кольцам деревьев можно собрать данные лишь за последние 7500 лет. Более серьезной проблемой является то, что углерод-14 образуется в верхней части атмосферы, в то время как деревья растут внизу. Поэтому циркуляция радиоуглерода очень сложна. В частности, поглощение и растворение радиоуглерода в океанах сглаживают изменения содержания радиоуглерода за периоды меньше двадцати лет. В результате этого нет никаких четких признаков того, что по данным о радиоуглероде можно проследить солнечный одиннадцатилетний цикл. Большим триумфом метода, однако, было то, что измерения радиоуглерода отчетливо выявили минимум Маундера, так же как и ранее подозревавшийся период отсутствия активности в 1450—1540 годах н.э. и период заметной активности в XX веке. Основные изменения, продолжающиеся в течение нескольких солнечных циклов, в том числе и в течение тех периодов, когда исторические записи неопределенны, по-видимому, будут зафиксированы радиоактивной летописью в деревьях, поэтому попытка прочитать эту летопись за период, предшествующий тому времени, когда существуют и свидетельства в виде исторических записей, возможно, имеет смысл.