Еще более замечательные явления – затмения Солнца. Раньше только они позволяли увидеть внешнюю область солнечной атмосферы – корону Солнца. Физики испытали настоящий шок, когда в середине XX в. была измерена ее температура, ибо результаты оказались совершенно неожиданными.
Что нам говорит нормальная физика? Что по мере удаления от источника тепла температура газа должна понижаться. Мы видим такие примеры сплошь и рядом. Источник тепла на Земле – ее поверхность, нагретая солнечными лучами. Поэтому, поднимаясь на самолете, мы наблюдаем, как окружающий воздух становится все холоднее; на высоте 10 км его температура составляет –50 °C. Все логично. Энергия Солнца рождается в его ядре и затем просачивается наружу, а значит, снаружи температура должна быть ниже. Действительно, в центре Солнца она составляет около 15 000 000 K, а на поверхности – 6000 K. Мы видим, что температура падает, но вдруг в области короны она опять начинает стремительно расти – до 2 000 000 К. С какой стати? Где источник энергии? В короне чрезвычайно разреженный газ, никакие ядерные реакции там не происходят. Вопрос оказался непростым, ответ на него нашли не сразу, и до сих пор он не является полным. Большую роль в исследовании солнечной короны сыграли работы советского астрофизика И. С. Шкловского. А начинал он с наблюдения солнечных затмений.
Рис. 25. Солнечное затмение 9 марта 2016 г.
Фото: М. Семенов, А. Олешко, А. Юферев. Публикуется с разрешения авторов
Структура короны, как видите, немного напоминает картину расположения железных опилок, рассыпанных над двухполюсным магнитом. Ясно видно, что у Солнца есть один магнитный полюс сверху и другой снизу, а по бокам – замкнутые структуры; иногда они дипольные, иногда многополюсные.
Благодаря затмениям не только были открыты и исследованы солнечная корона и лежащий под ней более плотный и прохладный слой – хромосфера, но состоялись и другие важные открытия и наблюдения. В 1868 г. в спектре хромосферы обнаружились линии неизвестного в ту пору на Земле химического элемента – им оказался гелий. В спектре короны также обнаружились неизвестные линии, которые исследователи поторопились приписать новому элементу, назвав его коронием. Но это оказались линии железа при крайне высокой степени ионизации, недостижимой в ту пору в лаборатории. В 1918 г. затмение помогло подтвердить один из выводов общей теории относительности Эйнштейна: искривление лучей света в гравитационном поле, которое было продемонстрировано смещением изображений звезд вблизи солнечного диска.
В обычное время, между затмениями, мы не видим корону Солнца, потому что ее яркость намного меньше яркости дневного неба рядом с солнечным диском. Однако в космосе этой проблемы нет. Телескопы некоторых космических обсерваторий снабжены специальным экраном, которым можно закрыть изображение солнечного диска. И тогда становятся видны околосолнечные окрестности: корона, протуберанцы, плотные потоки солнечного ветра, а также небольшие кометы – об их существовании обычно мы даже не догадываемся, ведь заметными они становятся, только когда пролетают вплотную к Солнцу.
И вот на что важно обратить внимание! На частные фазы солнечного затмения (то есть когда солнечный диск еще не полностью закрыт лунным) нельзя смотреть через простые солнцезащитные очки, так как это недостаточно плотный светофильтр. Если у кого-то сохранились старые трехдюймовые дискеты, надо взять такую, отодвинуть заслонку и смотреть прямо через мягкий магнитный диск. Можно воспользоваться и зеркальной оберточной бумагой для цветов. Если сложить ее вдвое, то получится неплохой светофильтр для наблюдения Солнца. Хорошо подходят также сварочные маски и старые рентгеновские фотоснимки.
При наблюдении затмения в бинокль или телескоп эти самодельные светофильтры должны располагаться перед объективом. Ни в коем случае их нельзя ставить после окуляра, поскольку поток света там очень плотный и фильтр может лопнуть, а осколки попадут в глаз. Только в тот момент, когда затмение становится полным и появляется корона, можно наблюдать ее без светофильтра.
Иногда Луна нас подводит. Это происходит в случае, если затмение наблюдается, когда она находится в апогее своей орбиты и не способна перекрыть солнечный диск целиком. Тогда ее тень не дотягивается до поверхности Земли – мы видим кольцеобразное (иногда говорят «кольцевое») солнечное затмение. Это явление почти бесполезное: в течение всего затмения остается виден яркий край поверхности (фотосферы) Солнца, поэтому корона остается незаметной. Но польза от кольцеобразного затмения все-таки есть. Можно легко отследить моменты касания видимого диска Луны и видимого диска Солнца – всего четыре касания. Их регистрируют с высоким разрешением (до 1/1000 секунды), что позволяет проверять точность теории движения Луны и вращения Земли.
На всей Земле в течение года можно наблюдать от двух до пяти солнечных затмений, из которых не более двух – полные или кольцеобразные. В среднем за 100 лет происходит 237 солнечных затмений, из них 160 – частные, 63 – полные, 14 – кольцеобразные. Через одну и ту же точку земной поверхности лунная тень проходит в среднем раз в 300 лет. То есть если не гоняться по планете за полными солнечными затмениями, а жить на одном месте, то шанс увидеть своими глазами солнечную корону невелик.
Поскольку две трети поверхности земного шара покрыты океаном, путь лунной тени проходит в основном по поверхности воды. Но никто не наблюдает затмения с плавающего судна, так как для оптических приборов требуется устойчивая опора. Всегда выбирают область на суше. Но и здесь у астронома много требований: не должно быть густой растительности, сильного ветра, высоких гор, закрывающих горизонт…
Если вы в момент затмения посмотрите на Землю из космоса, то сразу поймете, с какими трудностями сталкиваются ученые: лунная тень бежит по Земле, но она же ложится на облака, и наблюдатели, находящиеся в этот момент под облаками, не видят Солнца. Для преодоления этих проблем существует надежный вариант: нужно вести наблюдения с борта самолета, летящего над облаками в сторону движения лунной тени. В этом случае облачность уже точно не страшна – всё увидите, хотя путешествие это дорогое.
А если у вас еще и очень быстрый самолет, то вы можете продлить удовольствие от созерцания и изучения солнечной короны: в вашем распоряжении будут не минуты, а часы. Когда появился гражданский сверхзвуковой самолет «Конкорд», один из первых его рейсов был специально организован для погони за лунной тенью. Такой лайнер способен ее догнать. Ведь Луна, а значит, и ее тень движется по орбите со скоростью около 1 км/с, а Земля вращается в ту же сторону, причем на экваторе со скоростью около 500 м/с. Значит, по поверхности Земли лунная тень бежит со скоростью от 1 км/с (в полярных областях) до 0,5 км/с (на экваторе). Поскольку диаметр лунной тени у Земли обычно не превышает 280 км, продолжительность полной фазы затмения для неподвижного наблюдателя, как правило, составляет не более 7 минут. А сверхзвуковой самолет, летящий со скоростью около 500 м/с, в районе экватора может сопровождать лунную тень в течение нескольких часов!
Был такой случай и в моей астрономической карьере. Вместе с участниками комплексной аэрологической экспедиции мне посчастливилось наблюдать полное солнечное затмение 31 июля 1981 г. из кабины самолета Як–40 на высоте 7770 м. Мы взлетели с аэродрома города Тынды и направились на восток вдоль линии БАМ (некоторые еще помнят, что это Байкало-Амурская железнодорожная магистраль).
Скорость нашего самолета была около 500 км/ч (140 м/с), а лунная тень двигалась по земле со скоростью около 570 м/c. Поэтому если в самой Тынде затмение продолжалось 117 секунд, то на борту нашей летающей обсерватории оно продлилось около 155 секунд. По-видимому, это наибольшая длительность полной фазы затмения, наблюдавшаяся кем-либо в тот день. Впрочем, немногие тогда вообще смогли наблюдать это затмение, поскольку погода вдоль его трассы в основном была облачная.
Впечатление от затмения у меня осталось очень яркое. За несколько секунд до наступления полной фазы было хорошо видно, как лунная тень двигается по верхней границе облачности. В момент полного затмения на абсолютно черном небе появилось много звезд и планет. Вдоль горизонта хорошо просматривалось красное заревое кольцо.
Рис. 26. Солнечное затмение 21 августа 2017 г.
Фото: А. Юферев. Публикуется с разрешения автора
Благодаря любезности пилотов я даже получил фотографии солнечной короны. Снимки были сделаны фотоаппаратом «Зенит–16» с объективом МТО–500 (светосила 1:8) на обратимую цветную фотопленку ORWO (UT 18) с выдержкой 1/15 секунды. Фотографировал с pyк через верхнее стекло кабины пилотов. Качество снимков больше пострадало от наличия толстого стекла перед объективом, чем от вибрации или расфокусировки самого объектива. Разумеется, снимки, сделанные в хорошую погоду с поверхности Земли стационарной камерой, получаются значительно более качественными, особенно если их обработать специальными программами.
Но обратите внимание: на снимках солнечного затмения поверхность Луны тоже видна, хотя прямые солнечные лучи на нее не попадают. Что же подсвечивает темную сторону нашего спутника? Это свет от Земли! В момент затмения обращенное к Луне полушарие планеты почти полностью освещено Солнцем, за исключением небольшого пятачка лунной тени. Отраженный от Земли свет уходит в сторону Луны, и мы видим ее ночное полушарие. Впрочем, и вне затмений это явление легко можно наблюдать. Если вы посмотрите на молодой месяц сразу после новолуния, то увидите, что темная часть лунного диска все-таки видна как бледно-серая. Это явление называется «пепельный свет Луны».
Из-за отражения солнечного света от Земли на видимой стороне Луны, то есть на ее полушарии, постоянно обращенном к Земле, никогда не бывает полной ночи, а только яркий солнечный день и полутемная ночь, которую условно можно назвать «земной ночью». Наш земной шар довольно ярко освещает Луну. Здесь, на Земле, в полнолуние мы можем гулять без фонаря и даже читать при Луне крупный текст. А Земля на лунном небе занимает в 13 раз бо́льшую площадь и отражает солнечный свет в несколько раз лучше лунной поверхности (альбедо Земли примерно втрое больше, чем у Луны). Так что «земной ночью» поверхность видимого полушария Луны освещена так же ярко, как если бы на нее светили несколько десятков полных Лун. Будущим исследователям Луны не придется заботиться о ночном освещении, пока они будут работать на видимой стороне. Зато на обратной стороне Луны Земля не видна, и ночи там очень темные. Это вполне устраивает будущих астрономов, которые станут проводить там оптические и радионаблюдения.