На диску Сонця з'явилася одна з найбільших в цьому році активних областей, а значить, на Сонці знову є плями - притому що наша зірка вступає в період мінімальної активності. Про природу та історію виявлення сонячних плям, а також про їх вплив на земну атмосферу розповідає співробітник Лабораторії рентгенівської астрономії Сонця ФІАН, доктор фізико-математичних наук Сергій Богачов.
У першому десятилітті XVII століття італійський вчений Галілео Галілей і німецький астроном і механік Крістоф Шейнер приблизно одночасно і незалежно один від одного вдосконалили винайдену за кілька років до цього підзорну трубу (або телескоп) і створили на її основі геліоскоп - прилад, що дозволяє спостерігати Сонце, проектуючи його зображення на стіну. На цих зображеннях ними були виявлені деталі, які можна було б прийняти за дефекти стіни, якби вони не переміщалися разом із зображенням - невеликі плями, що всіюють поверхню ідеального (і почасти божественного) центрального небесного тіла - Сонця. Так в історію науки увійшли сонячні плями, а в наше життя - приказка про те, що на світі немає нічого ідеального: «І на Сонці є плями».
Сонячні плями є основною деталлю, яку можна розгледіти на поверхні нашої зірки без застосування складної астрономічної техніки. Видимі розміри плям складаю близько однієї кутової хвилини (розмір 10-копійчаної монети з відстані 30 метрів), що знаходиться на межі роздільної здатності людського ока. Однак досить зовсім простого оптичного приладу, що збільшує всього в кілька разів, щоб ці об'єкти були виявлені, що, власне, і сталося в Європі на початку XVII століття. Окремі спостереження плям, втім, регулярно відбувалися і до цього, причому часто вони робилися просто оком, але залишалися непоміченими або незрозумілими.
Природу плям деякий час намагалися пояснити, не зачіпаючи ідеальність Сонця, наприклад, як хмари в сонячній атмосфері, але досить швидко стало зрозуміло, що вони ставляться посередньо до сонячної поверхні. Природа їх, тим не менш, залишалася загадкою аж до першої половини XX, коли на Сонці вперше були виявлені магнітні поля і виявилося, що місця їх концентрації збігаються з місцями формування плям.
Чому плями виглядають темними? Насамперед треба зауважити, що їхня темрява не є абсолютною. Вона, швидше, подібна до темного силуету людини, що стоїть на тлі освітленого вікна, тобто лише здається на тлі дуже яскравого навколишнього світла. Якщо виміряти «яскравість» плями, то можна виявити, що вона також випромінює світло, але лише на рівні 20-40 відсотків від нормального світла Сонця. Цього факту достатньо, щоб без будь-яких додаткових вимірювань визначити температуру плями, оскільки потік теплового випромінювання від Сонця однозначно пов'язаний з його температурою через закон Стефана-Больцмана (потік випромінювання пропорційний температурі випромінювального тіла в четвертій мірі). Якщо покласти яскравість звичайної поверхні Сонця з температурою близько 6000 градусів Цельсія як одиницю, то температура сонячних плям повинна становити близько 4000-4500 градусів. Власне кажучи, так воно і є - сонячні плями (а це згодом було підтверджено й іншими методами, наприклад спектроскопічними дослідженнями випромінювання), є просто ділянками поверхні Сонця нижчої температури.
Зв'язок плям з магнітними полями пояснюється впливом магнітного поля на температуру газу. Такий вплив пов'язаний з наявністю у Сонця конвективної (киплячої) зони, яка простягається від поверхні на глибину приблизно третини сонячного радіусу. Кипіння сонячної плазми безперервно піднімає з його надр до поверхні гарячу плазму і тим самим підвищує температуру поверхні. В областях, де поверхню Сонця пробивають трубки сильного магнітного поля, ефективність конвекції придушується аж до повної її зупинки. У результаті без підживлення гарячою конвективною плазмою поверхня Сонця остигає якраз до температур близько 4000 градусів. Формується пляма.
У наші дні плями вивчають в основному як центри активних сонячних областей, в яких концентруються сонячні спалахи. Справа в тому, що магнітне поле, «джерелом» якого є плями, приносить в атмосферу Сонця додаткові запаси енергії, які є для Сонця «зайвими», і воно, як і будь-яка фізична система, яка прагне мінімізувати свою енергію, намагається від них позбутися. Ця додаткова енергія так і називається - вільна. Для скидання зайвої енергії існує два основних механізми.
Перший, коли Сонце просто викидає в міжпланетний простір обтяжуючу його частину атмосфери разом з зайвими магнітними полями, плазмою і струмами. Ці явища називають корональними викидами маси. Відповідні викиди, поширюючись від Сонця, досягають часом колосальних розмірів в кілька мільйонів кілометрів і є, зокрема, головною причиною магнітних буревіїв - удар такого згустку плазми по магнітному полю Землі виводить його з рівноваги, змушує коливатися, а також посилює електричні струми, що поточні в магнітосфері Землі, що і становить суть магнітної бурі.
Другий спосіб - це сонячні спалахи. У цьому випадку вільна енергія спалюється безпосередньо в сонячній атмосфері, проте наслідки цього теж можуть доходити до Землі - у вигляді потоків жорсткого випромінювання і заряджених частинок. Такий вплив, що є за своєю природою радіаційним, є однією з головних причин виходу з ладу космічних апаратів, а також полярних сяйв.
Не варто, втім, виявивши на Сонці пляму, відразу готуватися до сонячних спалахів і магнітних бурів. Досить частою є ситуація, коли поява на диску Сонця плям, навіть рекордно великих, не призводить навіть до мінімального підвищення рівня сонячної активності. Чому так відбувається? Це пов'язано з природою вивільнення магнітної енергії на Сонці. Така енергія не може вивільнитися з одного магнітного потоку, точно так само як магніт, що лежить на столі, як би його не трясли, не створить ніякого сонячного спалаху. Таких потоків повинно бути, як мінімум, два, і вони повинні мати можливість для взаємодії один з одним.
Оскільки одна магнітна трубка, що пробиває поверхню Сонця в двох місцях, створює дві плями, то всі групи плям, в яких плям всього два або одне, створювати спалахи не здатні. Ці групи утворені одним потоком, якому немає з чим взаємодіяти. Така пара плям може бути гігантською і існувати на диску Сонця місяцями, лякаючи Землю своїми розмірами, але не створить жодного, навіть мінімального, спалаху. Подібні групи мають класифікацію і називаються типом Альфа, якщо пляма одна, або Бета, якщо їх два.
Якщо ви виявили повідомлення про появу на Сонці нової плями, не полінуйтеся і подивіться тип групи. Якщо це Альфа або Бета, то можете не турбуватися - ні спалахів, ні магнітних бурь Сонце в найближчі дні не зробить. Більш складним класом є Гамма. Це групи плям, в яких існує кілька плям північної і південної полярності. У такій області існує як мінімум два взаємодіючих магнітних потоки. Відповідно, така область буде втрачати магнітну енергію і підживлювати сонячну активність. І, нарешті, останній клас - Бета-Гамма. Це максимально складні області, з гранично заплутаним магнітним полем. Якщо така група з'явилася в каталозі, можна не сумніватися - розплутувати цю систему Сонце буде не менше декількох днів, спалюючи енергію у вигляді спалахів, в тому числі великих, і викидаючи плазму, поки не спростить дану систему до простої конфігурації Альфа або Бета.
Втім, незважаючи на «страхітливий» зв'язок плям зі спалахами і магнітними бурями, не слід забувати, що це одне з найбільш чудових астрономічних явищ, яке можна спостерігати з поверхні Землі в аматорські інструменти. Нарешті, сонячні плями, це дуже красивий об'єкт - досить подивитися на їх знімки, отримані з високою роздільною здатністю. Тим же, хто навіть після цього не здатний забути про негативні аспекти цього явища, можна втішитися тим, що число плям на Сонці все-таки відносно мало (не більше 1 відсотка поверхні диска, а частіше набагато менше).
Ряд типів зірок, як мінімум червоні карлики, «страждають» в куди більшій мірі - плямами в них може бути покрито до десятків відсотків площі. Можна уявити, які проблеми з космічною погодою мають гіпотетичні мешканці відповідних планетних систем, і ще раз порадіти, поруч з якою відносно спокійною зіркою нам пощастило жити.