Отрицательный водород — сильнейший поглотитель света. Если содержащий его слой газа имеет толщину больше нескольких десятков километров, то он становится таким же непрозрачным, как кирпичная стена.
Фотосфера и более глубинные газовые слои Солнца играют роль фильтра, задерживающего почти полностью внутреннее солнечное тепло. Нам кажется, что Солнце очень щедро посылает свою энергию в окружающее его пространство. Энергия, излучаемая Солнцем за одну секунду, так велика, что ее вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной 100 километров и покрывающий всю Землю!
Но, оказывается, расточительность Солнца только кажущаяся. Излучаемая им энергия составляет ничтожнейшую долю той энергии, которая скрыта в его недрах. Так что непрозрачность отрицательного водорода предохраняет Солнце от быстрой потери энергии, то есть, иначе говоря, от быстрого охлаждения.
При наблюдениях Солнца в телескоп его края выглядят более темными, чем середина. Вызвано это тем, что в центре Солнца наш глаз проникает до более глубоких и потому более горячих слоев фотосферы, чем те, которые доступны нам на его краях.
Раскаленные газы солнечной фотосферы находятся в непрерывном движении. Что же заставляет их сохранять постоянную температуру, близкую к 6 тысячам градусов?
Когда в холодной комнате вы включаете электроплитку, нагрев воздуха происходит по трем причинам. Во-первых, воздух обладает некоторой теплопроводностью. Тепло от раскаленной плитки непосредственно передается обволакивающему ее слою воздуха. Однако воздух не металл, и тепло он проводит плохо. Если бы не происходило движения частиц воздуха, перемешивания его теплых и холодных слоев, то нагреть комнату за счет одной теплопроводности воздуха удалось бы не скоро.
Во-вторых, перемешивание газовых струй, называемое в физике конвекцией, значительно ускоряет этот процесс. В-третьих, еще быстрее передается тепло через лучеиспускание. Вы подносите руку к плитке и сразу же ощущаете на своей ладони ее «жар». Тепло от спирали к руке перенесли лучи света, испускаемые плиткой. Их энергия затем преобразовалась в быстрое тепловое движение молекул вашей руки.
Участок солнечной поверхности с гранулами.
Все три процесса (теплопроводность, конвекция и лучеиспускание) ведут к одной цели — к выравниванию температуры.
Что же выравнивает температуру в фотосфере: теплопроводность, конвекция или лучеиспускание?
Конвективные токи в фотосфере существуют, и о них мы еще поговорим. Однако роль их в выравнивании температур оказывается невелика. Еще меньшую роль в этом процессе играет теплопроводность солнечных газов. Главная причина заключается в лучеиспускании.
Лучи света являются передатчиками тепла от горячих внутренних слоев Солнца к его атмосфере. Количество энергии, получаемое фотосферой из недр Солнца, всегда равно тому количеству энергии, которое фотосфера излучает. Говорят поэтому, что фотосфера находится в состоянии лучистого равновесия. Выражается это равновесие фотосферы в постоянстве ее температуры.
Даже в небольшие телескопы заметно, что фотосфера состоит из множества светлых зерен, разделенных более темными промежутками. Зерна, называемые гранулами, не остаются постоянными. Наоборот, они быстро меняются, и в среднем продолжительность существования каждой из гранул исчисляется тремя — пятью минутами.
Гранулы возникают и исчезают, непрерывно изменяясь по величине и форме. Замечено, что они слегка и притом хаотично смещаются вдоль солнечной поверхности со средней скоростью около 4 километров в секунду. Сорок процентов поверхности Солнца занято гранулами, а остальные 60 процентов — темными промежутками между ними. Темнота их, впрочем, относительна — они лишь на 10–20 процентов уступают по своей яркости гранулам.
Гранулы только кажутся маленькими. На самом деле их средний поперечник близок к 1000 километрам.
В последние годы удается фотографировать Солнце с больших высот. Французский астроном Дольфус, поднявшись в гондоле воздушного шара на высоту 7 километров, получил с помощью телескопа прекрасные фотографии солнечных гранул. Еще больших успехов добились американские астрономы. На специальном стратостате они достигли высоты 25 километров. Здесь с помощью 12-дюймового телескопа и автоматической фотокамеры ими было сделано более восьми тысяч фотоснимков Солнца. Качество таких снимков очень высокое, так как крайне разреженные слои стратосферы практически не мешают наблюдениям.
Теоретические подсчеты показывают, что в фотосфере, «подстилаемой» изнутри более горячими слоями газов, неизбежно должна возникнуть конвекция. Из глубин фотосферы поднимаются горячие и потому более яркие струи газов, а на их место опускаются массы охлажденных газов. Верхушки бьющих изнутри раскаленных газовых фонтанов мы и наблюдаем как гранулы. Промежутки между ними заняты опускающимися более холодными газами.
Миллиарды лет происходит это непрестанное движение. Оно помогает лучеиспусканию выравнивать температуру фотосферы.
Характерными образованиями в фотосфере являются солнечные пятна. Наибольшие из них видны даже невооруженным глазом (разумеется, через темный фильтр или сравнительно прозрачное облако). Мельчайшие из пятен, называемые порами, можно наблюдать только в телескопы.
В крупном солнечном пятне легко различить две его части — темное центральное ядро, называемое тенью, и окружающую его более светлую кайму — полутень. Тень обычно кажется равномерно темной, а в полутени иногда легко различить расходящиеся радиально от ядра светлые полоски — волокна.
Пятна кажутся темными лишь по контрасту с окружающей их ослепительно яркой фотосферой. На самом деле температура пятен всего на 1500 градусов ниже температуры фотосферы. Поэтому, если бы их можно было поместить на небе отдельно, вне Солнца, они казались бы почти такими же яркими, как и Солнце.
Солнечное пятно, окруженное факелами.
Поперечники больших пятен нередко превышают диаметр Земли. Пятна, видимые невооруженным глазом, имеют в поперечнике более 40 тысяч километров, а были случаи, когда на Солнце появлялись пятна с поперечником 200 тысяч километров.
Удивительно, что эти колоссальные по земным масштабам образования непрерывно изменяются. Пятна меняют свою форму, размеры, интенсивность. Они несколько смещаются по солнечной поверхности и, конечно, вместе со всей фотосферой участвуют во вращении Солнца вокруг его оси.
Так как Солнце состоит из газов, его экваториальные слои движутся быстрее умеренных и полярных. В среднем период оборота Солнца вокруг оси равен двадцати семи суткам. Бывали случаи, когда отдельные пятна сохранялись в течение нескольких оборотов Солнца. Обычно же продолжительность их жизни исчисляется сутками и реже — неделями. Но на смену исчезнувшим пятнам появляются новые в других местах солнечного диска.
Пятна возникают из маленьких темных пор. С каждым днем они растут, обзаводятся полутенью, нередко делятся на части. Иногда можно наблюдать, как несколько ядер разделившегося пятна охвачено общей полутенью.
Как правило, пятна возникают и располагаются на Солнце группами. В движении группы пятен, обусловленном вращением Солнца, часто «предводительствует» наиболее крупное пятно.
Было время, когда пятна считали теми местами Солнца, где последнее начинает покрываться твердой корой. Наивность этих взглядов очевидна.
Более правдоподобной выглядела другая гипотеза. В ней солнечные пятна считались исполинскими вихрями раскаленных газов. Казалось, что в вечно бушующем океане раскаленных газов, которым представляется нашему сознанию фотосфера, образование таких смерчей — вполне естественное явление. В воронке вихря газы поднимаются наружу и, расширяясь при этом, должны охлаждаться, поэтому они и кажутся темными. Тень пятна — это воронка вихря, а полутень — его края.
К сожалению, нарисованная картина далека от действительности, хотя она и подкупает своей простотой. Неоспоримые факты не позволяют считать солнечные пятна простыми вихрями, подобными земным смерчам. Природа их гораздо сложнее.
Если бы охлаждение газов в пятнах вызывалось их расширением, то в этом случае постоянство температуры пятен имело бы причиной конвекцию. Однако детальные исследования солнечных пятен показали, что по своим оптическим свойствам они во всем сходны с остальной фотосферой. Иначе говоря, газы солнечных пятен находятся не в конвективном, а в лучистом равновесии. Значит, постоянство температуры пятен вызвано не расширением заключенных в них газов.
Газовый «вихрь» вокруг солнечных пятен.
