Солнечные затмения

Иногда Солнце, Луна и Земля располагаются на одной прямой линии – тогда происходят солнечные или лунные затмения. Солнечные затмения бывают в периоды благоприятных новолуний, а затмения Луны – во время тех полнолуний, когда наш спутник находится вблизи эклиптики. Во время солнечных затмений создаются благоприятные условия для изучения верхних слоев атмосферы Солнца, что дает ключ к разгадке его внутренних процессов.

Сегодня астрономы уже могут с чрезвычайно большой точностью предсказывать для любого места все обстоятельства затмения: когда оно начнется и кончится, будет полным или частным, какова будет наибольшая фаза, то есть какая часть солнечного диска закроется во время середины затмения, и др. Это демонстрирует могущество научного знания и вместе с тем ошибочность религиозного миропредставления, объяснявшего затмения действием божественных сил.

Астрономы рассчитали все затмения – и те, что уже были, и те, что будут на три с половиной тысячелетия (до 2162 г. нашей эры).

На протяжении коротких минут полного затмения можно видеть и исследовать во всех деталях особенности долгое время бывшей загадочной солнечной короны, выяснить физические условия в хромосфере, изучать другие явления и таким образом еще ближе подойти к решению основных проблем Солнца. Выяснение условий и особенностей процессов, происходящих на Солнце, имеет особое значение. С активностью Солнца связаны многие явления – магнитные бури, полярные сияния, нарушения радиосвязи, изменения погоды на Земле и т. п. Об этом мы еще расскажем ниже. Хотя современная мощная астрономическая техника позволяет изучать корону и хромосферу и вне затмений, но с гораздо меньшей полнотой и детальностью, чем это представляется во время затмения. Именно данные, полученные в результате наблюдений во время солнечных затмений на протяжении последних десятилетий, и позволили ученым глубоко проникнуть в существо солнечных явлений, подойти к полному выяснению фундаментальных вопросов природы Солнца.

Можно вспомнить, что именно во время затмения 1851 г. было доказано, что ярко–красные выступы – протуберанцы – над диском принадлежат Солнцу. Наблюдая со спектроскопом затмение 1868 г., Жансен установил присутствие в спектре протуберанцев ярких линий, что подсказало, ему метод наблюдения протуберанцев и хромосферы и вне затмения, в любой ясный день. В следующем году во время затмения в спектре короны была открыта яркая зеленая линия, долгое время остававшаяся неотождествленной и условно относимая к «коронию». В 1870 г. во время затмения было открыто явление «вспышки» спектра, когда у основания хромосферы, где происходит образование фраунгоферовых темных линий поглощения, на их месте в момент, когда диск Луны закрывал последний кусочек фотосферы, вспыхивали яркие линии так называемого «обращающего» слоя.

На основании рисунков и первых фотографий солнечной короны, наблюдаемой во время затмений второй половины XIX ст., Реньяром и А. П. Ганским было обнаружено замечательное явление закономерного изменения формы короны в зависимости от солнечной активности. В периоды максимумов числа пятен корона представлялась растрепанной, с крыльями или лучами, вздымающимися вокруг всего диска. Во время же минимумов два ярких крыла–опахала протягивались только вблизи плоскости солнечного экватора; полярные области были свободны от них. Долгое время причина этого явления была неизвестна, и только теперь наука подошла к объяснению его.

Наблюдения, проводившиеся во время затмений начала XX ст., позволили выяснить, как распределяется вещество в хромосфере Солнца, и изучить форму короны. Однако основные проблемы короны и природа явлений, происходящих в хромосфере, оставались нерешенными.

Впервые широко организованные наблюдения были проведены советскими астрономами в связи с затмением 29 июня 1927 г. Две большие экспедиции московских и пулковских астрономов выезжали в Северную Швецию. Целью ученых, в частности, была проверка точности предварительного вычисления затмения, которое делается на основе детально разработанных теорий движения Земли и Луны. Получение поправок к теоретическим положениям Луны во время затмений всегда было классической задачей астрономов, но теперь наблюдения глазом заменялись специальными фотографическими наблюдениями с большими камерами, в которых с помощью целостатов фиксировалось изображение Солнца. Для определения поправок положений Луны экспедиция московских ученых впервые применила киноаппарат, движение пленки которого записывалось на хронографе (приборе для записи времени), что давало возможность точнейшим образом определить моменты экспозиций. Однако главным результатом исследований во время затмения 1927 г. было изучение особенностей короны, и в частности закона падения яркости в ней.

Однако результаты экспедиций 1927 г. были далеко превзойдены через 9 лет – при наблюдениях затмения 19 июня 1936 г. Необходимо отметить, что затмение 1936 г. сыграло особо выдающуюся роль в выяснении особенностей Солнца. Благодаря значительным средствам, отпускаемым Советским правительством на развитие науки, астрономы смогли осуществить грандиозные по размаху коллективные научные мероприятия, давшие чрезвычайно ценные сведения.

Размещение по полосе затмения на протяжении почти 8000 км однотипных инструментов позволило советским астрономам изучить происходящие в короне движения. До 1936 г. только случайные наблюдения наводили на мысль о возможности изменений в короне. Я Последняя считалась неподвижным облаком, окружающим Солнце. Для выяснения этого вопроса было построено шесть одинаковых пятиметровых камер, получивших название стандартных коронографов; объективы их перемещались при помощи часового механизма, что компенсировало суточное смещение Солнца и делало неподвижным его изображение в фокусе трубы. С этими инструментами работали экспедиции Харьковской обсерватории, Ленинградского астрономического института, Пулковской обсерватории, Московского Института им. П. К. Штернберга и Астрономического общества.

Исследование 30 пластинок, полученных на стандартных коронографах, позволило сделать новые интересные заключения о строении солнечной короны и природе явлений в хромосфере и короне. Оказалось, что во внутренней короне за два часа наблюдений произошли значительные изменения; характер их был детально изучен. Одновременно был установлен чрезвычайно интересный факт: выяснилось, что на основании видимых смещений корональных лучей можно установить вращение короны, которое оказалось точно соответствующим вращению самого Солнца. По этим же фотографиям советские астрономы исследовали структуру короны и установили любопытное струйчатое строение корональных лучей, а также детально исследовали дуговые системы – образования, включающие ряд охватывающих одна другую дуг. Было найдено точное соответствие между явлениями в короне и хромосфере. Протуберанцу или другому возмущению в хромосфере Солнца соответствовали корональные лучи, которые можно считать потоками солнечного вещества. Эта работа была проведена автором данной книги и Е. Я. Бугославской. Изучение движений в хромосфере и короне приблизило решение вопроса о природе короны.

Интересные выводы получил Г. А. Тихов в результате изучения пластинок, снятых «четверным» коронографом. Этот оригинальный инструмент, который Г. А. Тихов использовал для наблюдения ряда затмений, представлял собой соединенные вместе четыре двухметровые камеры. Употребляя соответствующие цветные фильтры и фотографические пластинки, можно было получить фотографии короны в четырех цветах – от фиолетового до красного. Таким образом, выяснилось, что внутренняя корона краснее Солнца. Вместе с тем оказалось, что корона «краснеет» по мере удаления от Солнца. Этот результат был подтвержден позднее другими астрономами.

Чрезвычайно интересен вопрос о спектре короны. С помощью светосильных спектрографов спектр короны фотографируется теперь во время каждого затмения.

Во время затмения 1936 г. советский астрофизик академик Г. А. Шайн с помощью симеизских спектрографов получил прекрасные спектрограммы короны. Детальное изучение их дало возможность определить точную длину волн и яркость многих линий в спектре короны. Последнее весьма важно, так как для решения вопроса о природе корональных линий точные значения длины волн могли иметь решающее значение. В 1930-40 годах наука выяснила, какие элементы, и при каком состоянии производят линии испускания, наблюдающиеся в солнечной короне. Оказалось, что здесь светятся атомы железа, кальция, никеля и других элементов, находящихся в состоянии «сверхионизации». Это было установлено в 1940–1942 гг. шведским астрофизиком Эдленом. Дальнейшее изучение этого вопроса продолжает оставаться одной из интереснейших проблем гелиофизики – науки о физической природе Солнца.

Среди целого ряда вопросов, связанных с изучением короны, астрономов интересует также вопрос об общей яркости короны. По–видимому, яркость короны не всегда постоянна,– она меняется от затмения к затмению так же, как меняется общий вид короны. С помощью оригинальных фотоэлектрических приборов блеск короны определял В. Б. Никонов и другие советские астрономы. Астрономы Абастуманской обсерватории детально изучали поляризацию света в короне.

Астрономам известно количество отдельных элементов в атмосфере Солнца. 55% (а может даже до 70%) массы солнечной атмосферы составляет водород; 44% – гелий и 1% распределяется между остальными 70 элементами, найденными по солнечному спектру. В значительной степени это было выяснено из наблюдений, проводимых во время затмений. С затмения 1927 г. советские астрономы изучают спектр вспышки и распределение элементов в солнечной хромосфере (особенно важные результаты были получены здесь пулковскими астрономами Е. Я. Перепелкиным и В. П. Вязаницыным). Если в момент, когда темный диск луны закроет участок фотосферы и обращающий слой и хромосфера – будут представляться в виде весьма узкого серпа, произвести снимок с призменной камерой, будет получен спектр вспышки. Каждой темной линии обычного солнечного спектра будет здесь соответствовать яркое изображение серпа. Чем глубже лежат пары данного элемента, тем короче будут серпы. Затмения используются также астрономами для проверки так называемого эффекта Эйнштейна, согласно которому звезды должны видимым образом смещаться вблизи Солнца. Кропотливые и сложные измерения фотографий, полученных советскими учеными, дали для видимого отклонения звезд вблизи Солнца величину большую, чем та, которую требует теория относительности.

Изучение корональных фотографий, произведенное Е. Я. Бугославской, позволило выяснить характер структуры короны и условия в короне над возмущенными областями Солнца. Были проведены фотометрические и колориметрические исследования частных фаз затмения и яркости небесного свода.

Широко были организованы наблюдения затмения 9 июля 1945 г., полоса которого проходила через Европейскую часть СССР. Большинство экспедиций советских астрономов располагалось вблизи городов Иваново, Ярославля и Куйбышева.

Значительно более успешными были наблюдения затмения 25 февраля 1952 г. на территории Туркменской, Узбекской и Казахской республик. Интересные новые выводы были получены при изучении структуры короны, проводившемся на кафедре астрономии Киевского университета им. Т. Г. Шевченко Т. М. Никольским.

Было установлено влияние общего магнитного поля Солнца на структуру короны. Оно сказывается в том, что лучи короны, особенно в околополярных солнечных областях, располагаются не произвольно, а следуя направлению магнитных силовых линий.

Во время этого же затмения французская экспедиция под руководством известного исследователя короны Лио, работавшая с арабскими астрономами в Хартуме (Египет), получила уникальные спектры короны, на которых были открыты многие новые линии.

Наступившая эпоха освоения космического пространства ознаменовалась использованием новых средств для наблюдения затмений.

В течение последних лет произведены многочисленные запуски ракет с различными приборами для изучения ультрафиолетового и коротковолнового излучения Солнца и его оболочек. С результатами этих исследований, производившихся, в частности, во время затмений, мы познакомимся ниже.

Интересные наблюдения проводят во время затмений физики и геофизики. Они изучают аномалии в распространении радиоволн, связанные с изменениями электрических свойств земной атмосферы, изменения магнитного поля, а также различных метеорологических элементов во время затмения. Нужно иметь в виду, что Луна экранирует не только световой поток, идущий от Солнца, но и поток частиц – заряженных корпускул, которые с большими скоростями выбрасываются с его поверхности. Поэтому, кроме «оптического» затмения, наблюдается затмение «корпускулярное», которое наступает раньше. Благодаря этому, наблюдения во время затмений позволяют установить, какие электрические свойства атмосферы зависят от световых действий Солнца и какие – от действия корпускулярных потоков, а также судить о других особенностях воздействия Солнца.

Современная мощная астрономическая техника позволяет изучать корону и хромосферу и вне затмений, однако с гораздо меньшей полнотой и детальностью. Поэтому наблюдения во время солнечных затмений имеют большое научное значение.

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ