Не запятнанное будущее дневного светила

Не запятнанное будущее дневного светила

Снижение солнечной активности на протяжении последних двадцати лет может не только скомпенсировать глобальное потепление, но и привести к новому малому ледниковому периоду и политическим потрясениям

Специальный прибор Helioseismic and Magnetic Imager, установленный на новой орбитальной обсерватории NASA, позволяет делать снимки поверхности Солнца в так называемых искусственных цветах. Оранжевым и синим показаны области наибольшей напряженности магнитного поля (в зависимости от полярности), а желтым — линии, вдоль которых распространяются электромагнитные волны самой дальней части ультрафиолетового спектра. Фото: SDO/GSFC/NASA

На протяжении двух последних лет Солнце находится в затянувшемся минимуме своей активности. 23-й солнечный цикл закончился к декабрю 2008 года, все ждали начала нового, 24-го. Но он все не начинался: на Солнце появлялись редкие пятна, которые быстро и бесследно пропадали. Постепенно ожидания сменились недоумением и сомнениями, а теперь настало время подозрений. Начало нового солнечного цикла может задержаться надолго. Возможно, даже на десятилетия. Пора сказать «гуд-бай» солнечным пятнам, заявили две недели назад авторитетные авторы самого популярного научного журнала Science.

Мэтью Пенн (Matthew Penn) и Уильям Ливингстон (William Livingston) на протяжении 20 лет проводили наблюдения за солнечными пятнами в Национальной солнечной обсерватории (National Solar Observatory), расположенной в Тусоне, штат Аризона. Их вывод — магнитное поле слабеет и скоро станет недостаточным для поддержания привычного нам уровня солнечной активности. Чем это грозит человечеству, сказать пока трудно; но в прошлый раз, когда такое происходило, на Земле случилось длительное похолодание; этот период, продлившийся с XVI по начало XIX века, даже вошел в историю как Малый ледниковый период (Little ice age). То ли по случайности, то ли нет, но именно на это время пришлись довольно заметные пертурбации, которые, в свою очередь, получили название Глобального кризиса: тогда пресеклись сразу несколько монархических династий в разных частях света и самые разные страны охватили восстания и войны. Однако — обо всем по порядку.

Бурбон без звёзд

Открытие пятен на Солнце приходится на тот самый период в истории, когда шли наиболее важные трансформации в астрономии, да и вообще в человеческом познании. Книга Коперника (Nicolaus Copernicus, 1473–1543) «О вращениях небесных сфер» уже была напечатана, но пока еще не запрещена и в общем-то не очень известна. Галилей (Galileo Galilei, 1564–1642) тоже успел выпустить свою первую книгу по астрономии, и ее даже встретили с радостью и воодушевлением, однако вопрос об астрономических доказательствах движения Земли в ней даже еще и не ставился.

О том, как восприняли первую астрономическую книгу Галилея лидеры европейских государств, можно судить по реакции короля Франции Генриха IV (Henri IV Bourbon, 1553–1610). Он вынес из нее главное: в небе еще есть неизвестные звезды, которым можно давать имена монархов, — обнаруженные с помощью телескопа спутники Юпитера Галилей назвал Медицейскими звездами. В собственноручно написанном письме Галилею король просил придворного двоюродного брата своей жены, Марии Медичи, следующей неизвестной звезде дать имя его великой страны. В крайнем случае, ей можно было бы дать личное имя Генриха, воздержавшись от присвоения ей фамильного имени дома Бурбонов. Эмблематика короля волновала тогда гораздо больше, чем перемены в картине мира.

Одна из весьма характерных иллюстраций времен первых телескопических открытий: Галилей демонстрирует свой телескоп и открытые при его помощи Медицейские звезды музам. Но великий герцог Тосканы так и остался единственным монархом, фамильным именем которого были названы новые небесные светила

Едва ли не центральное место в господствовавшей в начале XVII века парадигме занимала аристотелевская дихотомия: космос делился на подлунную и надлунную области. И в то время как первая — обладала всеми известными нам чертами: изъянами и несовершенствами, свойством быть наполненной вещами, способными рождаться и исчезать, для второй — характерны идеальное совершенство и вечная неизменность. В ней было некоторое противоречие с христианским мифом о сотворении мира и его конце — неизменное не может быть сотворено и не может погибнуть, — его учились обходить еще парижские схоласты XIV века и на него обращал внимание в своей «Апологии Галилея» неаполитанский узник Томмазо Кампанелла (Tommaso Campanella, 1568–1639). И все же даже для Луны, темные пятна на поверхности которой видны всякому, требовались возрожденческой астрономии специальные логические построения, примиряющие ее видимую неоднородность с приписываемой ей теорией идеальной сферичностью.

Пятна на Солнце также можно наблюдать невооруженным глазом. Первое несомненное описание солнечного пятна в древнем Китае относится к 28 году до н. э., однако есть основания думать, что китайские астрономы видели их и на несколько веков раньше. Вероятно, солнечное пятно заметил в 1128 году Джон Вустерский (John of Worcester, 1118–1140), и уж совсем скандальным образом не опознал солнечного пятна, хотя и подробно описал его, великий Иоганн Кеплер (Johannes Kepler, 1570–1630). В 1607 году он собирался наблюдать прохождение Меркурия по солнечному диску; его обескуражило слишком раннее появление пятна, но все же Кеплер ни разу не усомнился в том, что перед ним именно след Меркурия, а не что-либо другое.

Мы не можем с полной уверенностью утверждать, что честь точной идентификации солнечных пятен в Новое время принадлежит великому итальянскому физику и астроному. Зимой 1611–1612 годов Галилей тяжело болел. Даже на письмо одного из своих наиболее влиятельных покровителей, Маркуса Вельзера (Marcus Welser, 1558–1614), он ответил далеко не сразу. Письмо Вельзера сопровождало небольшую книжечку ингольштадтского астронома-иезуита Кристофа Шейнера (Cristoph Scheiner, 1575–1650), предлагая Галилею высказаться по сути сделанного Шейнером открытия. В этой книжечке Шейнер описывал, как с помощью своего телескопа изучал видимые на Солнце пятна. Однако, утверждал он, точно такими же пятнами на Солнце видятся нам и Меркурий с Венерой, когда оказываются на луче зрения смотрящего на них земного наблюдателя.

В ответе Вельзеру Галилей утверждал, во-первых, что начал изучение солнечных пятен задолго до того, как их заметил Шейнер, хотя нездоровье помешало своевременно написать об этом. А во-вторых, что эти пятна — действительно пятна на поверхности светила, а никак не планеты. Более того, их видимое движение — это не что иное, как движение самого Солнца. И если в справедливости первого утверждения мы еще можем сомневаться, то истинность второго была вскоре самым неожиданным образом доказана: пятна надолго исчезли.

Особую пикантность исчезновению солнечных пятен придавало посмертное осуществление воли короля Франции. Некий Франческо Сицци (Francesco Sizzi), также проводивший телескопические наблюдения Солнца, пришел к тому же выводу, что и Шейнер, а возможно, просто поверил ингольштадтскому монаху, выдав его вывод за свой. Сицци объявил пятна звездами и назвал их в честь правящей французской династии Бурбоновыми. Попытка оказалась неудачной, и хотя «славный король Анри Четвертый» обратившись к Галилею, а не к Сицци, нашел самое правильное в Европе место, на небе его имя — ни личное, ни фамильное — увековечено не было.

Глобальный кризис

В Новой истории XVII век занимает особое место. Дело тут не только в Тридцатилетней войне — это был, несомненно, очень драматический момент в европейской истории, но далеко не единственный. Усилиями социологов и демографов второй половины ХХ века многое удалось выяснить про это время. Население сокращалось почти во всех странах от Португалии до Китая. Даже в Новом Свете дела шли не лучшим образом, и если там не было эпидемий и голода, то беды проистекали из военных конфликтов или крестьянских восстаний.

Британский живописец Эрнест Крофтс (Ernest Crofts, 1847–1911) так изобразил одну из сцен кровопролитной Тридцатилетней войны. На переднем плане знаменитый Валленштейн, придворным астрологом которого в конце жизни состоял не менее знаменитый Иоганн Кеплер. Темные тучи на заднем плане показаны не только для того, чтобы усугубить общее тягостное впечатление — погода в те времена и в самом деле была неважной

Начало века принесло несколько подряд неурожайных годов для России, унесших около 100 тыс. человек, в то же время от голода погибла половина населения Эстляндии. В середине века та же беда унесла 2 млн жизней в центральной Индии. Еще столько же и по той же причине погибло там же в 1702–1703 годах. В 1640-е годы те же природные причины привели к небывалому голоду на севере Китая. По воспоминаниям миссионеров-иезуитов, пережившие это несчастье могли завидовать умершим. Из-за болезней, а главное — из-за постоянных стычек с соседями за чашку риса все население страны состояло из калек. Впрочем, этим калекам достало сил свергнуть в 1644-м правившую династию. А в 1650-х Польша, не успевшая оправиться от потерь в Тридцатилетней войне, потеряла от голода и болезней треть оставшегося населения.

Каковы бы ни были причины неурожаев, постигших самые разные страны в самых разных частях света, они вызывали то ли справедливое, то ли нет недовольство властями. По количеству народных восстаний и бунтов XVII век тоже оказывается совершенно беспрецедентен. Кроме хорошо известных революций в Нидерландах и Великобритании и московской смуты, в этом списке можно упомянуть восстание каталонских сепаратистов 1640 года, подавленное только через десять лет, восстание в Неаполе и на Сицилии 1648 года, Швейцарскую революцию 1653 года, стамбульские восстания 1656 года, восстание португальских колонистов против власти Голландии в Бразилии 1654 года и восстание годом раньше в Гоа против португальцев. Даже на относительно спокойном юге Франции общее число народных волнений в XVII веке на порядок больше, чем в XVI.

По причине всех этих обстоятельств, а также множества других подобных, историки стали говорить о глобальном кризисе XVII века. Можно считать эту характеристику общепризнанной, однако есть большие расхождения относительно причин кризиса. Среди них довольно часто называется резкое ухудшение климата. Даже если оно и не было непосредственной причиной, оно создавало крайне неблагоприятный фон социального и экономического развития. В самом деле, палеоклиматологические данные показывают значительные отклонения летних температур практически для всего северного полушария. Наиболее холодные лета приходились на самое начало века — 1600–1601, середину — 1641–1647, начало второй трети — 1666–1671 и конец — 1694–1700 годы.

К середине века смещение полосы атлантических штормов к югу достигло 500 км, а ледяные шапки на вершинах европейских горных массивов достигли своих рекордных размеров. И даже в экваториальных Андах, там, где их никогда с тех пор не бывало, они наблюдались. Среди причин такой природной аномалии, в свою очередь, лидируют две: низкая солнечная активность и высокая вулканическая. Не вызывает сомнений, что оба фактора действовали в одном направлении. Вопрос только в том, не было ли второе следствием первого.

Мерой солнечной активности служит количество пятен на поверхности светила. По их числу можно судить о напряженности (или индукции, которая в вакууме совпадает с напряженностью) магнитного поля — когда она снижается до 1500 Гс (один гаусс соответствует примерно индукции магнитного поля Земли), пятна не могут образовываться. Своего минимума солнечная активность достигла к 1645 году, и после этого пятен не наблюдалось на протяжении 70 лет. Это явление называется Минимумом Маундера (Maunder Minimum).

Лондонская ярмарка на льду Темзы. Зимы в 1680-х были настолько суровыми, что река схватывалась рано, а лед был прочным. Иллюстрация (Free Art License): Rita Greer

Термометр для Солнца

Самым надежным инструментом для измерения магнитного поля звезд служит любопытный квантовый эффект, обнаруженный голландским физиком Питером Зееманом (Pieter Zeeman, 1865–1943) за четыре года до того, как Макс Планк (Max Planck, 1858–1947) предложил свою знаменитую гипотезу квант.

Изучая спектр натрия, горящего в пламени свечи, Зееман заметил сильное расширение одной из линий, когда пламя помещали между полюсами сильного магнита. Потом выяснилось, что уширение происходило из-за расщепления одной линии на пятнадцать близко расположенных одна от другой линий. При увеличении мощности магнита расстояние между линиями заметно увеличивалось. Так появилась идея измерять внешнее магнитное поле по расщеплению линий спектра известных веществ.

Однако воплотить эту идею в жизнь можно было только после появления теории эффекта, разработанной на основе так называемой «новой» квантовой механики, которая пришла на смену «старой» волновой механике Бора-Зоммерфельда. В ней использовался довольно сложный математический формализм, не понятный интуитивно и представлявший даже трудно разрешимую проблему физической интерпретации. Но если отрешиться от деталей, то суть явления такова.

Электрон, движущийся внутри атома, обладает определенным моментом импульса. Как и энергия, момент импульса электрона не может принимать произвольные значения — для каждого энергетического уровня есть конечный и строго определенный набор значений момента. В то же время круговое движение электрического заряда — это вихревой электрический ток, который должен индуцировать определенное магнитное поле. При отсутствии внешнего магнитного поля поле, созданное электроном, никак не влияет на его энергию, и энергетический уровень, как говорят, вырожден. Если внешнее магнитное поле есть, то оно, провзаимодействовав с полем, созданным электроном, изменит его энергию. Вырожденный до того энергетический уровень расщепится на столько подуровней, сколько разных значений момента импульса (а значит, и магнитного момента) может быть у электрона.

Конечно, электрон — квантовый объект, и говорить о его положении внутри атома, а тем более о движении его по круговой орбите, нельзя. Тем не менее у него есть (разумеется, в определенном приближении) и собственная энергия, и собственный магнитный момент. А значит, если магнитное поле не очень сильное (точнее, до тех пор, пока оно превосходит земное не больше, чем в десятки тысяч раз), эффект Зеемана позволяет довольно точно его оценить по расщеплению спектральных линий.

Именно этим и занимались Мэтью Пенн и Уильям Ливингстон начиная с 1990 года. Пятна — наиболее привлекательный объект при изучении магнитного поля Солнца именно потому, что вблизи пятен напряженность наиболее велика. Когда плазма остывает на поверхности светила, она становится более тусклой, чем окружающая ее более горячая. Но при этом она быстро «тонет», вновь разогреваясь. Но магнитное поле не позволяет ей это делать, создавая нечто вроде магнитной ловушки.

D-линия в спектре натрия. Чтобы увидеть ее, достаточно направить объектив спектроскопа на кристалл поваренной соли, раскаленной в пламени свечи. Если поместить пламя между полюсами сильного магнита, линия распадется на пятнадцать более тонких. Фото: Tfaub

Всего за время своего исследования Мэтью Пенн и Уильям Ливингстон исследовали более 1500 пятен и выяснили, что среднее значение магнитной индукции внутри пятна за прошедшее двадцатилетие уменьшилось с 2700 Гс до 2000 Гс. Причины этого так же мало понятны, как и причины Минимума Маундера. Но простая экстраполяция приводит к среднему значению в 1500 Гс к 2016 году. Это значение примечательно тем, что магнитное поле такой силы не может задерживать плазму на поверхности и никакие пятна на Солнце невозможны.

Как жить без пятен?

Весьма велика вероятность, что новый солнечный минимум повлечет за собой и новый малый ледниковый период, как это было в XVII веке. Но прежде чем пугаться, надо вспомнить, что XVII век вошел в историю вовсе не поэтому: человечество связывает его с кардинальным интеллектуальным переворотом, получившим название Научной революции XVII века и отразившимся на всех сторонах человеческой деятельности. Вполне возможно, что Бах и без этого был бы гениальным композитором, но без изобретения молоточкового клавира и без решения усилиями математиков XVII века задачи равномерной темперации двенадцатиступенно хроматической гаммы, он бы не смог сочинить «Хорошо темперированный клавир».

С другой стороны, период в 20 лет совсем незначителен в жизни Солнца. И такая «бездушная» схема, как простая экстраполяция тут может дать сколь угодно неверный результат. Но и высокая солнечная активность тоже чревата своими теневыми сторонами. Вспомним хотя бы попытки Александра Чижевского (1897–1964) объяснить аномально высокой солнечной активностью в 1906, 1917, 1928 и 1939 определенные социальные коллизии.

И все же риск похолодания климата из-за снижения солнечной активности есть, и его следует учитывать. Посмотреть на дело с сугубо деловой точки зрения предлагает обозреватель газеты «Financial Post» Лоренс Соломон. В своем комментарии он обращает внимание на то, что в течение того же двадцатилетия на изучение последствий глобального потепления было потрачено более $80 млрд. Исследования возможности и последствий глобального похолодания заметно от них отстают.

Дмитрий Баюк