Солнце и климатология
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Прежде всего, нас интересует Солнце, его сердцевина. Только знание солнечных условий дает человеку возможность планировать свое будущее. Ученые, занимающиеся вопросами климатологии, склоняются к выводу, что изменение климата на Земле происходило одновременно в Южном и в Северном полушариях и носило всеобъемлющий, глобальный характер. Грандиозные изменения климата в отдаленные времена не были вызваны последствиями трудовой деятельности людей, что вполне может происходить сейчас. А это означает, что тогда на климат сильнее всего мог воздействовать космический фактор,— может быть, Солнце?
Сравнительно недавно установлено, что великие оледенения на Земле происходили неоднократно, возможно, каждые 200—300 миллионов лет на срок в несколько миллионов лет. Считается, что на Земле уже второй миллион лет длится ледниковый период, а мы живем в короткое относительно теплое межледниковое время, начавшееся 12—15 тысяч лет назад грандиозным таянием ледников.
В связи с этим представляется интересной гипотеза некоторых планетологов о «водно-эрозионном» изменении некоторых участков марсианской поверхности, заснятых американскими космическими аппаратами. На фотографиях заметили речные долины и русла и предположили, что на Марсе периодически появляется плотная атмосфера и вода. В этом случае большая часть атмосферного газа и воды сейчас заморожена в полярных шапках и грунте. Иными словами, на Марсе тоже ледниковый период!
Пока еще неизвестно, насколько и как периоды изменения климата на планетах зависят от изменения активности Солнца, тем не менее, такая гипотеза представляется изящной и наглядной. Впрочем, две другие гипотезы о причине глобальных периодических перемен климата выглядят тоже весьма красиво: попадание солнечной системы в пылевые рукава при движении по галактической орбите и изменение отражательных свойств атмосферы из-за вулканической деятельности. Сегодня невозможно выделить вклад каждого из этих явлений в тепловой баланс земной атмосферы: их следует изучить отдельно.
И вот оказывается, что мы не можем указать даже точные даты будущей биографии Солнца, не то, что тонкости его жизни. Будущее Солнца нам небезразлично, и мы уже знаем, что при значительном выгорании солнечного водорода остывающие недра Солнца начнут сжиматься и увеличивать свое вращение, а еще горячие внешние слои расширятся. Солнце на некоторое время превратится в красный гигант, жар которого испепелит все поверхности планет. Затем на месте Солнечной системы образуется планетарная туманность, а в ее центре останется маленький плотный белый карлик. К этому еще далекому времени потоки нейтрино от Солнца должны прекратиться. Но это произойдет, скорее всего, через миллиарды лет. А что же сейчас делается на Солнце?
Только новые экспериментальные данные ответят на этот вопрос, поскольку у теоретиков сложились весьма противоречивые представления. Одни считают, что о солнечных недрах вообще трудно что-либо точно узнать. Другие вполне доверяют выводам о структуре Солнца, следующим из общей стройной и хорошо проработанной астрофизической теории. Эта теория подтверждена многочисленными данными наблюдений звезд, находящихся на разных этапах эволюции. Поэтому крайние сторонники этой точки зрения считают возможным либо ошибку в опытах Дэвиса, либо нарушение каких-то законов физики. Скорее всего, ни то, ни другое не верно. Однако совершенно очевидно, что для построения современной модели следует исходить из абсолютно достоверных физических фактов. Их-то и не хватает для понимания работы Солнца. Во-первых, нет прямых данных о скоростях двух основных реакций водородного цикла, а во-вторых, неясно, полностью ли светимость Солнца уравновешена энергией термоядерного синтеза.
Исходя из этих затруднений, ученые предположили, что слияние двух ядер 3Не осуществляется через стадию возбужденного ядра 6Ве, что приводит к вытеснению борной ветви из основного цикла. Подтвердить это предположение могли лабораторные эксперименты по обнаружению возбужденного состояния ядра 6Ве, но все попытки сделать это во многих научных центрах окончились неудачей. Эти неудачи не закрыли логическую возможность, указанную учеными, поскольку окончательный ответ дадут другие, но более трудные прямые опыты с ядрами 3Не, имеющими такую же энергию, как в недрах Солнца.
Затем в среде астрофизиков получила широкий отклик идея о перемешивании солнечных недр вследствие несбалансированности светимости современного Солнца его термоядерной энергией. Эту идею, высказанную теоретиком Э. Эпиком еще в пятидесятых годах, подробно рассмотрел У. Фаулер, и с тех пор ее связывают обычно с его именем. Сразу же появились конкретные механизмы перемешивания и расчеты, согласующиеся с пониженным потоком нейтрино в опытах Дэвиса.
Подчеркну, что суть гипотезы Фаулера состоит в том, что цикл перемешивания, иначе «холодный цикл», немедленно отразится на потоке солнечных нейтрино: он тотчас же уменьшится, так как вещество Солнца его не задерживает. «Горячий цикл» можно совсем грубо сравнить с разгоранием огня в печке после перемешивания кочергой застывающих углей и дров.
Один из механизмов перемешивания, предложенный японским физиком Сакураи и развитый американскими физиками Эзером и Камероном, основан на предположении о неустойчивостях недр вследствие их довольно быстрого вращения. Эти неустойчивости накапливаются и время от времени сбрасываются, вызывая перемешивание слоев, богатых и обедненных элементов 3Не. А это как раз и приводит к кратковременному «остыванию» недр, отражающемуся на потоках нейтрино. Период перемешивания оказался равным нескольким сотням миллионов лет, а «холодная пауза» — нескольким миллионам лет. Эзер и Камерон сумели связать эти циклы с изменением светимости Солнца, откуда как раз и следует возможное объяснение ледниковых периодов на Земле.
Другая гипотеза о механизме перемешивания дана англичанами Ф. Дилком и Д. Гофом. Они за исходный пункт расчетов приняли возможность возбуждения в Солнце сейсмических волн тяжести из-за неоднородности распределения в его ядре водорода и 3Не. Подобные расчеты эволюционной модели действительно подтверждают гравитационные колебания в некоторые моменты жизни Солнца, которые могут оказаться причиной перемешивания его недр.
В последние годы выяснилось, что на Солнце возбуждается целый спектр собственных колебаний. Солнце «гудит», как гигантский колокол. Периоды этих колебаний, как правило, меньше часа. Но особую сенсацию вызвало наблюдение в Крымской астрофизической обсерватории под руководством А. Б. Северного колебаний поверхности Солнца с периодом 2 часа 40 минут. Столь большой период очень трудно объяснить с помощью существующих представлений о строении Солнца.
Положение настолько серьезно, что авторы этих наблюдений предлагают отказаться от термоядерных реакций как основного источника энергии.
И все-таки ситуация небезнадежна. Была разработана рабочая гипотеза, которая позволяет понять всю совокупность данных, не отказываясь от термоядерной природы солнечной энергии. Суть ее в том, что у Солнца есть пульсирующее ядро, в котором, по механизму Дилка и Гофа, возбуждаются гравитационные колебания. Для этого, правда, необходимо предположить, что вне ядра имеются сильные магнитные поля, придающие солнечной мантии некоторую жесткость. Солнечные недра при этом становятся как бы волновой ловушкой для волн тяжести, которые обладают удивительным свойством увеличивать свой период с уменьшением объема ловушки. Одновременно эти волны способны часть механической энергии, накопленной в ядре, выделять непосредственно во внешней конвективной оболочке, уменьшая центральную температуру Солнца и снижая, таким образом, поток борных нейтрино. Любопытно еще и то, что предлагавшийся нами процесс ускорения реакции слияния двух ядер 3Не в значительной мере способствует возбуждению волн тяжести.
Конечно, я далек от мысли, что эта модель решит все проблемы. Однако в настоящее время это, пожалуй, единственная логическая возможность единым образом понять и результаты экспериментов Дэвиса, и данные солнечной сейсмологии. Интересно, что подобным же образом в свое время решалась проблема объяснения длиннопериодической части спектра собственных колебаний Земли, возбуждающихся при мощных землетрясениях. Не исключено, таким образом, что по своей структуре Солнце чем-то напоминает структуру Земли, состоящую, как известно, из жидкого ядра и твердой мантии.
Другая очень важная проблема — это проблема 11—22-летнего цикла солнечной активности. Считается, что эта цикличность полностью обусловлена явлениями во внешних слоях и никак не связана с процессами внутри Солнца.
Автор: А. Вехов.