Глава 4. ЦИКЛИЧНОСТЬ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

1. Индексы солнечной активности

Для количественного изучения любого явления природы нужны какие-то характеристики, которые помогли бы нам разглядеть его сущность. Но характеристики характеристикам рознь. Одно дело, когда они имеют определенный физический смысл, и совсем другое - когда они сами еще нуждаются в расшифровке. На заре изучения солнечной активности, в середине прошлого столетия, была введена первая такая характеристика для солнечных пятен - относительные числа солнечных пятен. Теперь их чаще называют числами Вольфа по фамилии придумавшего их швейцарского астронома Р. Вольфа. Это не просто общее число пятен на солнечном диске, а характеристика, которая одновременно отражает и число групп пятен и строение каждой из них. Числа Вольфа равны сумме удесятеренного числа групп пятен и общего числа пятен во всех группах. Поскольку обычно мы видим только одну полусферу Солнца, эти числа определяются не для всего Солнца, а для видимого его полушария.

Каков же физический смысл этого параметра? На подобный вопрос ответить очень трудно. Одно время склонялись к мнению, что числа Вольфа характеризуют ультрафиолетовую радиацию Солнца. Но если это и так, то только в некоторой степени. В самом деле, что бы вы ответили, если бы вас спросили, каков физический смысл, скажем, числа облаков в земной атмосфере? Вряд ли кто-либо рискнул бы назвать эту характеристику показателем осадков или влажности.

Для нашей планеты мы располагаем физическими характеристиками атмосферы за многие десятилетия. А вот с Солнцем все получается гораздо сложнее. Даже числа Вольфа определены примерно за 240 лет. (В дальнейшем мы увидим, что для Солнца это очень небольшой период.) Поэтому мы так дорожим относительными числами пятен, хотя вполне отдаем себе отчет в несовершенстве этой характеристики.

Но мало того, что мы, по существу, не знаем физического смысла чисел Вольфа. Само их определение сопряжено с рядом особенностей чисто субъективного характера. Индивидуальный подход к выделению групп пятен и подсчету отдельных ядер, объединенных общей полутенью, а также неодинаковые возможности различных инструментов и различных наблюдателей - все это не может не внести ошибок в определение относительных чисел пятен. Пожалуй, лишь скрупулезная работа цюрихских наблюдателей Солнца позволила сохранить столь длинный и сравнительно однородный ряд чисел Вольфа, к которому ныне «привязываются» ряды всех других обсерваторий.

Для приведения относительных чисел пятен к цюрихской системе их умножают на так называемый переводный коэффициент, в котором учитываются все уже упоминавшиеся различия в их определении. К сожалению, строго говоря, такой прием нельзя считать вполне законным, поскольку нередко происходят скачки в системе определения чисел Вольфа не только одной обсерватории, но даже одного наблюдателя, и притом неожиданно. Вот почему в статистических исследованиях солнечной активности предпочитают использовать лишь цюрихский ряд относительных чисел пятен. Небезынтересно, что сама цюрихская система еще во второй половине прошлого века подверглась ревизии: в ней стали иначе подсчитывать ядра и учитывать при помощи «весового» коэффициента размеры групп пятен. В связи с этим определенное в Цюрихе значение числа Вольфа всегда умножено на коэффициент 0,6.

Характеристики различных активных образований на Солнце называют индексами или показателями солнечной активности. Пока мы познакомились только с наиболее древним из них - числом Вольфа. К настоящему времени таких индексов существует более десятка. Вряд ли есть смысл перечислять все, тем более, что только некоторые из них понадобятся нам в дальнейшем изложении. Поэтому мы остановимся лишь на наиболее существенных и особо рассмотрим вопрос об общих чертах различных индексов солнечной активности.

Для групп солнечных пятен широко применяются индексы суммарной площади пятен и максимальной напряженности их магнитных полей. Первый из них определяется сложением площадей всех групп пятен на видимом солнечном диске. Эта характеристика пятен значительно выигрывает по сравнению с числами Вольфа в смысле объективности и надежности ее определения. Но физический смысл суммарной площади тоже туманен., Не так давно ее считали характеристикой корпускулярного излучения Солнца, но вряд ли это полностью соответствует действительности. По крайней мере нынешние прямые измерения корпускулярного излучения с космических ракет не говорят в пользу этого утверждения.

В какой-то степени суммарная площадь пятен дает представление о суммарном уровне напряженности магнитных полей на Солнце, или об их магнитном потоке, Дело в том, что существует сравнительно тесная связь между площадью пятен и напряженностью их магниткого поля. Поэтому такое заключение кажется естественным.

Но все же напряженность магнитного поля - пока единственный индекс для этого активного образования, который имеет вполне ясный физический смысл. И хотя определение ее все еще несовершенно, тем не менее это обстоятельство нельзя сбрасывать со счета. Будущее за этим индексом, и даже сейчас площадь пятен не может заменить его.

Если суммарные площади пятен регулярно определялись около ста лет в Гринвичской астрономической обсерватории (с 1874 по 1976 г.), то индексы солнечных вспышек появились совсем недавно. Первоначально основной их характеристикой служило общее число вспышек за сутки безотносительно к их мощности. Со временем стало ясно, что такой индекс очень несовершенен. Тогда сначала решили суммировать произведение их балла на продолжительность существования, а затем при суммировании учитывать их мощность, умножая число вспышек определенного балла на соответствующий коэффициент. Так появился вспышечный индекс солнечной активности. Эта характеристика напоминает числа Вольфа. Но, в отличие от них, на ее определении сильно сказываются погодные условия на всех обсерваториях, ведущих наблюдения вспышек. Ведь, строго говоря, для точного вычисления вспышечного индекса требуется 24 часа непрерывных наблюдений вспышек, тогда как для подсчета чисел Вольфа достаточно одного наблюдения фотосферы за сутки на любой из обсерваторий. Таким образом, вспышечный индекс может быть определен только приближенно, даже если экстраполировать тем или иным способом число вспышек за интервалы времени, которые не удалось охватить наблюдениями. Считают, что этот индекс характеризует интенсивность ультрафиолетового, а возможно, даже рентгеновского излучения. Однако наблюдения рентгеновских вспышек показали, что это далеко не соответствует действительности. Поэтому иногда используют специальный вспышечный индекс для рентгеновских вспышек, который строится по тому же принципу, что и обычный.

Особый интерес к протонным вспышкам привел к созданию обобщенного индекса вспышек, который определяет каждую вспышку суммой баллов, характеризующих ультрафиолетовое ее излучение по внезапным ионосферным возмущениям, излучение в красной линии водорода На и радиоизлучение в сантиметровом и метровом диапазонах. Этот индекс изменяется в пределах от 0 до 17. Когда его значение превышает 10, вспышка оказывается сильной практически во всем диапазоне электромагнитных волн.

В течение продолжительного времени использовался индекс суммарной площади протуберанцев. Хотя эта характеристика в свое время сыграла немаловажную роль в изучении солнечной активности, теперь ее применяют только в тех случаях, когда хотят получить какое-то дополнительное подтверждение той или иной особенности ее изменения со временем. Как и другие подобные индексы, суммарная площадь протуберанцев не имеет определенного физического смысла. Более того, она охватывает только часть протуберанцев. Это преимущественно спокойные протуберанцы, которые вовремя наблюдений хромосферы в красной водородной линии На видны на краю солнечного диска. Что же касается эруптивных и активных потуберанцев, то их жизнь слишком коротка для того, чтобы зарегистрировать эти образования, наблюдая Солнце один раз в сутки. Поэтому большая часть их теряется. Кроме того, суммарная площадь протуберанцев не учитывает того обстоятельства, что яркость протуберанцев весьма различна. Впрочем, все эти рассуждения раньше в расчет не принимались, тем более, что этот индекс был одним из немногих, которыми располагали исследователи Солнца в то время.

Одновременно с суммарной площадью пятен определялась и суммарная площадь фотосферных факелов. Конечно, она в каком-то смысле напоминает индекс суммарной площади протуберанцев, поскольку определяется только для областей вблизи восточного и западного краев солнечного диска. Но в последнее время ею вновь заинтересовались в связи с созданием комплексных индексов активности фотосферы Солнца.

Когда появилась возможность регулярных наблюдений зеленой и красной корональных линий, был введен еще один индекс солнечной активности, имеющий определенный физический смысл,- средняя интенсивность зеленой (или красной) корональной линии. Этот индекс получают путем измерения интенсивности той или другой линии через каждые 5° лимба на расстоянии 40" от него и вычисления среднего из этих величин за каждый день наблюдений. Так как корональные наблюдения практически никогда не охватывают больше 20 дней в месяц, усреднение обычно производят за интервал времени не меньше шести месяцев. Однако и такое усреднение не может устранить неточностей, возникающих паза частых разрывов в наблюдениях. В последние годы этот недостаток в какой-то мере пытаются преодолеть, объединяя корональные данные нескольких обсерваторий в одной системе. Но такая операция затрудняется тем обстоятельством, что различные обсерватории определяют интенсивность корональных линий разными методами и в разных единицах измерения.

В течение последних 25 - 30 лет среди индексов солнечной активности довольно прочное место занял индекс потока радиоизлучения Солнца. Этот индекс определяется для разных длин волн, от метров до сантиметров. Особенно популярен индекс потока радиоизлучения Солнца на волне 10,7 см (частота 2800 Мгц). В последнее время им даже пытались заменить числа Вольфа, ссылаясь на очень тесную связь значений этих двух индексов. Во всяком случае возможность практически ежедневного надежного его определения независимо от погодных условий и вполне определенный физический смысл делают в настоящее время этот индекс весьма привлекательной характеристикой солнечной активности. А с точки зрения некоторых исследователей он просто незаменим. Единственным, хотя и весьма существенным, недостатком потока радиоизлучения является большое различие его абсолютных определений разными обсерваториями. Но если нас интересует только ход изменения, то это обстоятельство не столь существенно. Коль скоро у нас есть возможность определять индекс каждый день, достаточно данных и одной обсерватории. Что же касается утверждения о равнозначности индексов потока радиоизлучения Солнца на волне 10,7 см и чисел Вольфа, то, как показывает детальный анализ, оно не соответствует истинному положению вещей.

Мы подробно изложили достоинства и недостатки всех перечисленных индексов солнечной активности с тем, чтобы легче было представить себе, за какие интервалы времени нужно делать усреднение для получения уверенных суждений о характере изменения со временем тех или иных явлений активности Солнца.

Очевидно, что только усреднение за год может дать надежные результаты. Правда, для некоторых индексов (таких, как относительные числа и суммарная площадь солнечных пятен) допустимы усреднения за месяц, но далеко не для всех задач изучения солнечной цикличности это полезно. Помимо основных, или исходных индексов активности иногда применяются и производные. Мы не будем занимать время их рассмотрением, тем более что нередко их построение сводится к чисто формальным математическим действиям, физический смысл которых далеко не всегда достаточно ясен.

Гораздо важнее отметить то обстоятельство, что многие индексы солнечной активности очень сложны. Они включают в себя сразу две или даже несколько особенностей того или иного активного образования. Попробуем, например, с этой точки зрения взглянуть на относительные числа солнечных пятен и их суммарную площадь. Мы уже знаем, что числа Вольфа определяются как числом групп, так и числом пятен, входящих в них. Таким образом, их величина, во-первых, зависит от того, сколько групп пятен появляется на солнечном диске, во-вторых, она обусловлена строением групп, т. е. их «живучестью». Если исходить из этой точки зрения, то число Вольфа определяется числом появившихся групп пятен и продолжительностью их жизни. В какой-то мере то же самое можно сказать и о суммарной площади пятен, которая в неявной форме включает в себя и число групп. Ведь суммирование площади производится по всем группам. Что же касается средней или максимальной площади группы пятен, то она в значительной степени определяет время существования группы.

Число групп пятен или других активных образований, появившихся на Солнце, или новообразований обычно называют их частотой. В то же время, поскольку продолжительность явления обусловлена прежде всего его мощностью, в какой-то степени ее условно можно называть мощностью. Если внимательно рассмотреть те или иные индексы солнечной активности с этой точки зрения, то можно убедиться в том, что даже самые простые из них следует отнести либо к частоте, либо к мощности явления. Например, максимальная напряженность магнитного поля групп пятен и интенсивность зеленой корональной линии являются индексами мощности, тогда как индекс числа солнечных вспышек в его первоначальном виде является индексом частоты. Нынешний вспышечный индекс и индекс суммарной площади протуберанцев, подобно числам Вольфа, можно разложить на исходные составляющие: частоту и мощность. Запомним это обстоятельство, поскольку оно оказывается (как мы увидим в дальнейшем) очень важным для понимания некоторых особенностей солнечной цикличности.

Теперь, когда мы получили достаточно ясное представление о том, что такое индексы солнечной активности и какова связь между ними, можно перейти к изложению основной части этой главы, в которой рассматриваются главные свойства солнечной цикличности.