Сонце і кліматологія

Перш за все, нас цікавить Сонце, його серцевина. Тільки знання сонячних умов дає людині можливість планувати своє майбутнє. Вчені, що займаються питаннями кліматології, схиляються до висновку, що зміна клімату на Землі відбувалася одночасно в Південній і в Північній півкулях і носила всеосяжний, глобальний характер. Грандіозні зміни клімату у віддалені часи не були викликані наслідками трудової діяльності людей, що цілком може відбуватися зараз. А це означає, що тоді на клімат найсильніше міг впливати космічний фактор,— може бути, Сонце?

Порівняно недавно встановлено, що великі заледеніння на Землі відбувалися неодноразово, можливо, кожні 200-300 мільйонів років на термін в кілька мільйонів років. Вважається, що на Землі вже другий мільйон років триває льодовиковий період, а ми живемо в короткий відносно теплий міжльодовиковий час, що почався 12-15 тисяч років тому грандіозним таненням льодовиків.

У зв’язку з цим представляється цікавою гіпотеза деяких планетологів про «водно-ерозійну» зміну окремих ділянок марсіанської поверхні, знятих американськими космічними апаратами. На фотографіях помітили річкові долини і русла і припустили, що на Марсі періодично з’являється щільна атмосфера і вода. В цьому випадку велика частина атмосферного газу і води зараз заморожена в полярних шапках і грунті. Іншими словами, на Марсі теж льодовиковий період!

Поки ще невідомо, наскільки і як періоди зміни клімату на планетах залежать від зміни активності Сонця, проте, така гіпотеза представляється витонченою і наочною. Втім, дві інші гіпотези про причини періодичних глобальних змін клімату теж виглядають дуже красиво: попадання сонячної системи в пилові рукави при русі по галактичній орбіті і зміна відбивних властивостей атмосфери через вулканічну діяльність. Сьогодні неможливо виділити внесок кожного з цих явищ в тепловий баланс земної атмосфери: їх слід вивчити окремо.

І ось виявляється, що ми не можемо вказати навіть точні дати майбутньої біографії Сонця, не те, що тонкощі його життя. Майбутнє Сонця нам небайдуже, і ми вже знаємо, що при значному вигорянні сонячного водню остигаючі надра Сонця почнуть стискатися і збільшувати своє обертання, а ще гарячі зовнішні шари розширяться. Сонце на деякий час перетвориться в червоний гігант, жар якого спопелить всі поверхні планет. Потім на місці Сонячної системи утвориться планетарна туманність, а в її центрі залишиться маленький щільний білий карлик. До цього ще далекого часу потоки нейтрино від Сонця повинні припинитися. Але це станеться, швидше за все, через мільярди років. А що ж зараз робиться на Сонці?

Тільки нові експериментальні дані дадуть відповідь на це питання, оскільки у теоретиків склалися досить суперечливі уявлення. Одні вважають, що про сонячні надра взагалі важко що-небудь точно дізнатися. Інші цілком довіряють висновкам про структуру Сонця, наступним із загальної стрункої і добре проробленої астрофізичної теорії. Ця теорія підтверджена численними даними спостережень зірок, що знаходяться на різних етапах еволюції. Тому крайні прихильники цієї точки зору вважають можливою або помилку в дослідах Девіса, або порушення будь-яких законів фізики. Швидше за все, ні те, ні інше не вірно. Проте абсолютно очевидно, що для побудови сучасної моделі слід виходити з абсолютно достовірних фізичних фактів. Їх-то і не вистачає для розуміння роботи Сонця. По-перше, немає прямих даних про швидкості двох основних реакцій водневого циклу, а по-друге, неясно, чи повністю світність Сонця врівноважена енергією термоядерного синтезу.

Виходячи з цих утруднень, вчені припустили, що злиття двох ядер 3Не здійснюється через стадію збудженого ядра 6Ве, що призводить до витіснення борної гілки з основного циклу. Підтвердити це припущення могли лабораторні експерименти по виявленню збудженого стану ядра 6Ве, але всі спроби зробити це в багатьох наукових центрах закінчилися невдачею. Ці невдачі не закрили логічну можливість, зазначену вченими, оскільки остаточну відповідь дадуть інші, але більш важкі прямі досліди з ядрами 3Не, що мають таку ж енергію, як у надрах Сонця.

Потім в середовищі астрофізиків отримала широкий відгук ідея про перемішування сонячних надр внаслідок незбалансованості світності сучасного Сонця його термоядерною енергією. Цю ідею, висловлену теоретиком Е. Епіком ще в п’ятдесятих роках, детально розглянув У. Фаулер, і з тих пір її пов’язують зазвичай з його ім’ям. Відразу ж з’явилися конкретні механізми перемішування і розрахунки, що узгоджуються зі зниженим потоком нейтрино в дослідах Девіса.

Підкреслю, що суть гіпотези Фаулера полягає в тому, що цикл перемішування, інакше «холодний цикл», негайно відіб’ється на потоці сонячних нейтрино: він негайно ж зменшиться, так як речовина Сонця його не затримує. «Гарячий цикл» можна зовсім грубо порівняти з розгораням вогню в грубці після перемішування кочергою застигаючого вугілля і дров.

Один з механізмів перемішування, запропонований японським фізиком Сакураї і розвинений американськими фізиками Езером та Камероном, заснований на припущенні про нестійкість надр внаслідок їх досить швидкого обертання. Ці нестійкості накопичуються і час від часу скидаються, викликаючи перемішування шарів, багатих і збіднених елементів 3Не. А це якраз і призводить до короткочасного «охолодження» надр, що відбивається на потоках нейтрино. Період перемішування виявився рівним кільком сотням мільйонів років, а «холодна пауза» — кільком мільйонам років. Езер і Камерон зуміли зв’язати ці цикли із зміною світності Сонця, звідки якраз і слідує можливе пояснення льодовикових періодів на Землі.

Інша гіпотеза про механізм перемішування дана англійцями Ф. Ділком і Д. Гофом. Вони за вихідний пункт розрахунків прийняли можливість збудження в Сонці сейсмічних хвиль тяжкості через неоднорідність розподілу в його ядрі водню і 3Не. Подібні розрахунки еволюційної моделі дійсно підтверджують гравітаційні коливання в деякі моменти життя Сонця, які можуть виявитися причиною перемішування його надр.

В останні роки з’ясувалося, що на Сонці збуджується цілий спектр власних коливань. Сонце «гуде», як гігантський дзвін. Періоди цих коливань, як правило, менше години. Але особливу сенсацію викликали спостереження в Кримській астрофізичній обсерваторії під керівництвом А. Б. Северного коливань поверхні Сонця з періодом 2 години 40 хвилин. Такий великий період дуже важко пояснити за допомогою існуючих уявлень про будову Сонця.

Становище настільки серйозно, що автори цих спостережень пропонують відмовитися від термоядерних реакцій як основного джерела енергії.

І все-таки ситуація небезнадійна. Була розроблена робоча гіпотеза, яка дозволяє зрозуміти всю сукупність даних, не відмовляючись від термоядерної природи сонячної енергії. Суть її в тому, що у Сонця є пульсуюче ядро, в якому, за механізмом Ділка і Гофа, збуджуються гравітаційні коливання. Для цього, правда, необхідно припустити, що поза ядра є сильні магнітні поля, що надають сонячній мантії деяку жорсткість. Сонячні надра при цьому стають як би хвильовою пасткою для хвиль тяжкості, які мають дивну властивість збільшувати свій період зі зменшенням обсягу пастки. Одночасно ці хвилі здатні частину механічної енергії, накопичену в ядрі, виділяти безпосередньо у зовнішній конвективній оболонці, зменшуючи центральну температуру Сонця і знижуючи, таким чином, потік борних нейтрино. Цікаво ще й те, що пропонований нами процес прискорення реакції злиття двох ядер 3Не значною мірою сприяє порушенню хвиль тяжкості.

Звичайно, я далекий від думки, що ця модель вирішить всі проблеми. Проте в даний час це, мабуть, єдина логічна можливість єдиним чином зрозуміти і результати експериментів Девіса, і дані сонячної сейсмології. Цікаво, що подібним же чином свого часу вирішувалася проблема пояснення довгоперіодичної частини спектру власних коливань Землі, що збуджуються при потужних землетрусах. Не виключено, таким чином, що по своїй структурі Сонце чимось нагадує структуру Землі, що складається, як відомо, з рідкого ядра і твердої мантії.

Інша дуже важлива проблема — це проблема 11-22-річного циклу сонячної активності. Вважається, що ця циклічність повністю обумовлена явищами в зовнішніх шарах і ніяк не пов’язана з процесами всередині Сонця.

Автор: А. Вехов.