Для изучения Солнца еще в XIX веке использовали фотографию, с помощью которой удалось установить, что пятна — самые дальние от нас образования, выше пятен расположены факелы. Видимую поверхность Солнца стали называть фотосферой (сферой света).
До середины XIX века было установлено, что фотосфера представляет собой отнюдь не сплошную поверхность. Эта видимая поверхность Солнца напоминает кипящую рисовую кашу. Иными словами, она имеет ячеистую, или гранулированную структуру. Астрономы многократно фотографировали эти структуры и назвали их гранулами.
В начале XX века в Пулковской обсерватории установили, что средняя продолжительность жизни отдельных гранул составляет примерно 5 минут. Затем гранула распадается, и на ее месте появляется новое образование такого же типа.
Великий узбекский астроном Улугбек (1394–1449).
До середины XIX века усилия астрономов были сосредоточены на наблюдениях поверхности Солнца. (Мы, конечно, должны все время помнить при этом, что никакой поверхности в общепринятом смысле этого слова Солнце не имеет.)
В 1842 году произошло событие, которое существенно расширило представления человека о Солнце. Речь идет о полном солнечном затмении, наблюдавшемся на юге Франции и в Северной Италии. За ним последовали затмения 1851 и 1860 годов. Астрономы могли наблюдать лучистый венец Солнца — корону и розовые «облака» — протуберанцы.
Вообще-то говоря, протуберанцы были известны человеку очень давно, упоминания о них мы находим даже в древнерусских летописях. В XVIII веке предполагалось, что протуберанцы — облака, плавающие в атмосфере Луны. Но только в 1851 году астрономы увидели, что протуберанцы генетически связаны с тонкой розовой оболочкой, окружающей Солнце со всех сторон. Эта оболочка была названа хромосферой (сферой цвета).
Естественно, что в наблюдениях сразу же использовали спектроскопию, причем широкому использованию этого метода помогло то обстоятельство, что, оказывается, можно было не ждать солнечного затмения, а просто направить щель спектроскопа на край незатмившегося Солнца. Это дало возможность наблюдать линии протуберанцев и изучать их поведение при полном дневном свете.
И уже в конце XIX века наблюдения протуберанцев стали таким же обычным делом, как и наблюдения солнечных пятен. Заметим, что в России наблюдения за солнечными пятнами были организованы выдающимся русским астрономом Ф. Бредихиным.
Итак, протуберанцы. Они появлялись на всех широтах вплоть до полярных районов Солнца. Особенно много их было в годы максимума пятен в низких широтах. Уже тогда было известно два основных типа протуберанцев: похожие на розовые облака «спокойные» протуберанцы, свободно плавающие над хромосферой, и «эруптивные», поднимающиеся как грандиозные фонтаны огня на колоссальную высоту, где они могли или рассеиваться, или как бы всасываться обратно в пятна.
Протуберанцы могут иметь форму волокон. Бывает, что волокно «выдувается» из Солнца в гигантскую красивую арку. Протуберанец такой формы наблюдался астрономами США, и сотрудники обсерватории дали ему ласковое название «Дедушка».
Самые разнообразные и причудливые формы — главная отличительная особенность протуберанцев.
Один из пионеров в наблюдении протуберанцев, Ж. Жансен, писал: «Я составил карты протуберанцев, которые показывают, с какой скоростью (иногда за несколько минут) эти колоссальные массы газа изменяют свою форму и положение». Поскольку протуберанцы холоднее короны, долгое время считалось, что они как бы продолжение хромосферы. Теперь стало понятным, что некоторые протуберанцы действительно подобны хромосфере, зато другие обнаруживают свойства, промежуточные между хромосферой и короной.
Во время солнечного затмения 1868 года, наблюдавшегося в Индии, ученые изучали спектры протуберанцев. В спектрах были отождествлены красная и зеленая линии водорода, а также желтая линия, которую поначалу приняли за линию натрия. Однако очень скоро выяснилось, что эта линия принадлежит не натрию, а элементу, который тогда еще не был известен на Земле. Этот элемент получил название «гелий» — солнечный.
Солнце. По наблюдениям А. Кирхера и П. Штайнера. 1635 год.
Некоторые протуберанцы тесно связаны еще с одним замечательным явлением на Солнце, открытым в 1859 году. Одним из соавторов этого открытия был астроном-любитель Кэррингтон, который, кстати говоря, обнаружил впервые дифференциальное вращение Солнца. Так вот, наблюдая пятна на Солнце, он вдруг увидел в белом цвете Солнца мгновенное увеличение яркости — вспышку, продолжавшуюся около пяти минут. Сам Кэррингтон полагал, что вспышка вызвана падением большого метеорита на Солнце.
Об этом открытии вспомнили более чем через полвека, когда в руках астрономов была уже более со вершенная техника, с помощью которой обнаружили внезапные извержения на Солнце, сопровождавшиеся вспышками излучения водорода. В 1933 году заметили удивительное совпадение: по мере «затухания» вспышки на Солнце происходило затухание коротковолновой связи на Земле.
Как правило, вспышки можно наблюдать в спектральных линиях водорода или какого-нибудь другого, но достаточно распространенного элемента на Солнце. Так что Кэррингтону, который наблюдал вспышку в белом цвете, в известной мере повезло, поскольку эта вспышка была чрезвычайно яркой.
Сегодня уже хорошо известно, что солнечные вспышки всегда связаны с пятнами. Именно они порождают сильные геомагнитные бури и полярные сияния на Земле, потоки частиц высоких энергий, а также мягкие космические лучи.
Изучение спектральных линий позволило установить ряд замечательных фактов. Оказалось, например, что хромосфера имеет более высокую температуру, чем фотосфера, что солнечные пятна окружены факельными полями и что поверхность Солнца неоднородна, покрыта как бы ячеистой сеткой — гранулами.
И, наконец, в конце XIX века в районах, прилегающих к солнечным пятнам, были найдены замечательные образования, напоминающие спиральные ветви, вихри. Узоры, связывающие два пятна, были очень похожи по рисунку на расположение железных опилок вокруг полюсов магнита. Так было открыто существование сильных магнитных полей на Солнце.
Особенно интересным оказался тот факт, что спиральные структуры вихрей, окружающих два соседних пятна, имели противоположные магнитные поля. Не менее замечательным было и то, что последовательность полярностей пар пятен в северном полушарии была обратной южному. В какой-то мере это напоминало поведение земных циклонов, имеющих противоположные направления вращения к северу и югу от экватора.
В 1912 году после очередного минимума солнечных пятен оказалось, что полярность северного и южного полушарий поменялась, а во время очередного минимума в 1922 году снова произошло изменение полярности.
Так, благодаря выдумке, упорству и терпению астрономов был накоплен огромный наблюдательный материал о Солнце. Не надо думать, однако, что все имеющиеся факты сразу получили правильное объяснение. Фундамент знаний о Солнце и по сей день имеет трещины. Достаточно вспомнить проблему солнечных нейтрино. Не меньше загадок задают и пятна на Солнце. Тем не менее сегодня мы в целом достаточно хорошо представляем себе происходящие на Солнце процессы, и это дает нам возможность перейти сейчас к их более подробному рассмотрению. Поскольку мы уже обсуждали с вами внутреннее строение звезд и в том числе Солнца, сейчас мы ограничимся рассмотрением «внешней стороны дела» — обликом нашего желтого карлика, властелина Солнечной системы.
Чтобы каким-то образом представить себе общие свойства Солнца, посмотрим на схематическое изображение его структуры. Здесь можно увидеть изменение температуры и плотности в зависимости от радиуса нашей звезды, способы переноса излучения, а также «деление» Солнца на различные зоны. Масштаб здесь не выдержан, эта схема дает лишь чисто качественную картину. (См. стр. 196.)