В парах каждого элемента теми или иными способами можно возбудить свечение, состоящее из отдельных тонких спектральных линий. Число этих линий может быть очень большим. Это указывает на многообразие состояний, в которых атом может существовать «возбужденным».
Атомные линейные спектры, так же как и непрерывный спектр черного тела, оказались подчиняющимися квантовым законам. Это значит, в частности, что в них проявляется та же квантовая постоянная h. С другой стороны, линейные спектры есть выражение внутреннего строения атомов. Следовательно, строение атомов, подобно свету, подчиняется квантовым законам. Квантовые закономерности обнаруживаются также в спектрах и строении молекул. В весьма разреженном газообразном состоянии молекулы излучают «полосатые» спектры. При помощи спектральных приборов полосы удается разделить на множество очень тонких линий. Положение этих линий следует довольно простым квантовым законам. Мы убеждаемся еще раз, что у света и вещества есть важнейшие общие, родственные черты.
Вернемся к линейным спектрам. Итак, у каждого элемента есть свои оптические приметы – спектральные линии, положение которых можно точно измерять и которые трудно смешать с другими. Находясь на Земле, можно по спектрам изучать химию Солнца и других светил. Пары элементов в солнечной атмосфере, пропуская на Землю сплошной спектр солнечного ядра, оставляют на нем свои следы в виде фраунгоферовых линий. В таблице 1 в последующем столбце указано, каким элементам соответствуют линии.
Рис. 12
Сравнение среднего относительного числа атомов различных химических элементов на поверхности Солнца и в земной коре
Часть линий получается от поглощения солнечного света в земной атмосфере, что также отмечено в таблице. Большинство химических элементов, находящихся на Земле, обнаружено и на солнечной поверхности. Не найдены главным образом такие тяжелые элементы, как золото, ртуть, таллий, висмут, радий и пр.
На рисунке 12 сравнивается количество атомов различных химических элементов в земной коре (крестики) и на поверхности Солнца (кружки). Слева отложены логарифмы относительных количеств элементов; это значит, что, например, цифра 5 соответствует 105 атомов. Мы видим, что относительные количества некоторых атомов на поверхности Земли и Солнца расходятся очень сильно. Наоборот, почти совпадают такие элементы, как натрий, кремний, кальций, стронций. Отсутствие спектральных линий не может еще служить признаком отсутствия элемента. Линии могут лежать в ультрафиолетовой области, не доходящей до Земли. Ультрафиолетовый спектр Солнца закрыт от земного наблюдателя главным образом озоном, находящимся в земной атмосфере и сосредоточенным преимущественно в стратосфере на высотах 20–30 км.
Рис. 13
Одиннадцатилетний период солнечных пятен
На Солнце найдены не только атомы, но и простейшие молекулы, например ОН, CN, СаН, Н2 и т. д.
Размеры Солнца огромны: поперечник его составляет около 1 400 000 км, т. е. в 110 раз больше, чем у Земли, а объем в 1 305 000 раз больше объема Земли. Но Земля значительно плотнее; средняя плотность Солнца по сравнению с водой 1,406, а Земли – 5,6. Общее количество вещества на Солнце в 330 420 раз больше, чем на Земле. Если выразить количество солнечного вещества в тоннах, то получится мало вразумительное число 2 · 1027 (т. е. к двойке надо подписать 27 нулей); если бы Солнце теряло каждую секунду по миллиарду тонн, то для того чтобы «похудеть» наполовину, ему потребовалось бы 30 миллиардов лет!
Рис. 14
Периодичность солнечных пятен и параллелизм числа пятен и земных магнитных возмущений (верхняя кривая)
Это гигантское скопление вещества мы знаем только с поверхности. Внутренняя жизнь Солнца не известна, о ней можно только догадываться. Поверхность Солнца далеко не однородна: если мы говорим о распределении энергии солнечного света, о его температуре, то разумеем всегда грубую среднюю величину. Видимое путешествие Солнца по небу сопровождается также кажущимся изменением распределения энергии в его спектре. На восходе и на закате Солнце кажется красным, его лучам приходится преодолевать бо́льшую толщу атмосферы, чем в зените.
На поверхности Солнца, главным образом в экваториальной области, почти всегда имеются пятна. Пятна бывают иногда настолько большими, что их легко видеть глазом через закопченное стекло. В китайских летописях сохранилась запись о наблюдениях солнечных пятен невооруженным глазом еще в 28 году до н. э. В 1858 году на солнечном диске было видно пятно длиною в 230 000 км, т. е. в 18 раз больше диаметра Земли. Пятно занимало 1/36 общей видимой поверхности Солнца. Пятна имеют разнообразные формы с темным ядром в середине и более светлой каймой снаружи.
Спектроскопическое исследование показывает, что в области пятен находится главным образом водород и пары кальция. Вокруг пятен вращаются гигантские вихри, циклоны, состоящие иногда из потоков электрически заряженных частиц. Возникающие электрические токи сопровождаются огромными магнитными полями, вызывающими изменение (расщепление) спектральных линий. Эти спектральные изменения и позволяют обнаружить солнечные вихри.
Число пятен на Солнце изменяется периодически; длина периода около 11 лет. На рисунке 13 приведена кривая, доказывающая такую периодичность. По горизонтальной оси нанесены годы, по вертикальным – относительные числа пятен. Кривая охватывает громадный, почти двухвековой период, с 1749 по 1947 год. Периодичность выражена с полной очевидностью. Перед нами несомненный и очень важный для жизни Земли закон солнечной деятельности. На рисунке 14 повторена часть той же кривой, с 1836 по 1926 год, но здесь она составлена с кривой магнитных возмущений на Земле за те же годы. Верхняя кривая изображает магнитные возмущения на Земле за те же годы. Очевиден параллелизм этих кривых. Таким образом, помимо тяготения и света между Солнцем и Землей существуют и другие посредники. Теперь известно, что от Солнца к Земле постоянно летят потоки отрицательно заряженных частиц – электронов. Эти электрические потоки отклоняются магнитными полюсами Земли в полярные области и вызывают изменения магнетизма на Земле, отмеченные на рисунке 14. С другой стороны, проникая в верхние разреженные слои земной атмосферы, быстро летящие электроны заставляют светиться находящиеся там газы. Так объясняются северные сияния. Число северных сияний в полярных областях показывает такую же периодичность, как и солнечные пятна и магнитные возмущения на Земле.
Изменения в числе солнечных пятен существенно влияют на перемены погоды и, следовательно, на растительность и на все живое на Земле. Так, например, толщина годичных колец на срезе ствола сосны меняется с явным одиннадцатилетним периодом, следующим за периодичностью солнечных пятен. На рисунке 15 кривая солнечных пятен за 1830–1910 годы сравнивается со средней кривой роста деревьев для нескольких европейских стран. Параллелизм вполне ясен и здесь, хотя картина осложняется действием других причин, не зависящих от солнечных пятен. Таким образом, несомненно, что солнечные пятна составляют важный фактор в жизни земной поверхности.
Рис. 15
Сравнение кривой солнечных пятен (нижняя кривая) со средней кривой роста деревьев для нескольких европейских стран
Внешнюю оболочку, которую мы только и видим на Солнце в обычных условиях, называют фотосферой. Эта оболочка имеет зернистое, гранулярное строение, особенно ясное, если снимать солнечный диск в монохроматическом свете отдельной спектральной линии, например водорода или кальция. Эти гранулы, разнообразных форм и размеров, очевидно соответствуют облакам и парам газов, плавающим в фотосфере. Если смотреть с вершины горы вниз на облака, то можно видеть такую же зернистость. Отдельные места фотосферы светятся особенно ярко; это так называемые факелы, в которых наиболее сильны линии кальция.
Во время полных солнечных затмений имеется возможность рассмотреть оболочку Солнца в деталях – мы видим ее как бы в поперечном разрезе. Фотосфера окружена тонким слоем красного цвета, так называемой хромосферой; в нее проникают факелы из фотосферы. Толщина хромосферы около 10 000 км. Из нее вылетают колоссальные фонтаны светящегося газа, так называемые протуберанцы, высота которых достигает иногда сотен тысяч километров. Протуберанцы бывают главным образом двух типов – облакообразные и взрывные. В первых преимущественно светится водород, как и в самой хромосфере, во вторых, наряду с водородом, сильно выражены линии металлических паров. За последнее время астрономы получили в свои руки новые удобные способы наблюдения протуберанцев в любое время, а не только при затмениях. Тщательно закрывая в телескопе солнечный диск до краев темным диском, применяя безукоризненные стекла (в смысле отсутствия рассеивающих пузырьков и свилей) и пользуясь, кроме того, хорошими светофильтрами, пропускающими только узкую часть спектра, можно наблюдать солнечные протуберанцы вне затмений. Кроме того, за последнее десятилетие разработаны весьма совершенные светофильтры, выделяющие практически только одну узкую спектральную линию. В результате стала вполне возможной кинематографическая съемка протуберанцев, открывающая такие особенности солнечных взрывов, которые ранее оставались совершенно скрытыми.
