...Каждая подробность имеет смысл,

логику, выразительность...

Нейгауз Г. Об искусстве фортепианной игры

Теперь, когда ясно, что солнечно-атмосферные связи существуют, становятся интересными их свойства. Имеет смысл просмотреть заново, без предубеждения и более непосредственно, работы предыдущих поколений гелиогеофизиков. Какой характер солнечно-атмосферных связей прорисовывается в их, пусть и разрозненных исследованиях? Прежде всего, эти связи часто оказываются региональными, то есть проявляются определенным образом в одних районах Земли, действуют совершенно иначе в других и полностью отсутствуют в третьих. Им свойственна изменчивость во времени: замеченный в одном районе Земли характер связи вдруг может резко измениться на противоположный; кроме того, со временем эта связь может исчезнуть вовсе. Об этих же особенностях связей, но более конкретно, говорят современные исследования.

Уже знакомый нам космофизик Роберте недавно исследовал с гелиогеофизической точки зрения региональную закономерность - повторяемость засух в американском штате Канзас. Это важный сельскохозяйственный район страны, гибель урожая в нем - весьма заметное событие. Запись аномально засушливых лет ведется здесь давно. И вот о чем она говорит: уже более 150 лет засухи в Канзасе повторяются через 20-22 года. Робертс проанализировал эти данные, сопоставив их с солнечной активностью.

Что же именно меняется на Солнце с периодом в 22 года? Мы уже говорили, что о частоте и мощности солнечных вспышек, а также о степени развития некоторых других процессов на Солнце можно судить по числу пятен на его диске. Путем наблюдения за их числом был открыт 11-летний цикл солнечной активности. Но оказывается, есть признак, который делает похожими друг на друга не все циклы, а выбранные через один. Иными словами, если мы всем циклам дадим порядковые номера, то по этому признаку нужно будет сгруппировать отдельно все четные и все нечетные циклы. Признак этот - магнитные полярности пятен.

Поговорим об этом поподробнее.

Пятна не разбросаны по диску Солнца как попало. Чаще всего они бывают собраны в так называемые биполярные группы. В каждой такой группе есть два самых крупных пятна, окруженных более мелкими. Солнце вращается, и земному наблюдателю кажется, что пятна движутся по солнечному диску. В целом группа пятен вытянута более или менее параллельно солнечному экватору, поэтому одно из главных пятен как бы шествует впереди, а другое следует за ним. Их так и называют: одно предшествующим, головным или ведущим, другое последующим или хвостовым. Как правило, головное пятно бывает самым большим. Хвостовое поменьше, вместо него иногда виден просто сгусток мелких пятен.

Все без исключения пятна "намагничены": это места, где наблюдаются самые сильные на Солнце магнитные поля. Теперь вообразим, что мы взяли подходящих размеров подковообразный магнит и погрузили его в солнечное вещество так, чтобы наружу выглядывали только концы - полюса магнита, причем выглядывали в тех самых местах, где находятся головное и хвостовое пятна. Не пускаясь в рассуждения о том, что делается внутри. Солнца, скажем, что магнитное поле, которое наш магнит создает вблизи солнечной поверхности, похоже на поле биполярной группы. Потому ее и назвали биполярной, что в ней имеются два магнитных полюса.

Оказывается, в расположении солнечных "магнитов" существует закономерность, которая очень хорошо выдерживается. В течение всего 11-летнего цикла, от минимума до минимума, то есть от появления первых пятен и до исчезновения последних, по одну сторону от солнечного экватора все головные пятна групп имеют одну и ту же магнитную полярность, а по другую сторону - противоположную. Ясно, что полярность хвостовых пятен данного полушария совпадает с полярностью головных пятен другого. Когда же вслед за периодом затишья, солнечного минимума, когда пятен на Солнце почти не бывает, зарождается новый цикл, оказывается, что солнечные полушария поменялись ролями: в каждом полушарии головные полярности стали хвостовыми. И так будет до следующего минимума.

Подобным же образом меняется от цикла к циклу знак слабых фоновых магнитных полей вблизи солнечных полюсов.

Вот почему каждый очередной солнечный цикл повторяет не предыдущий, а предпредыдущий: для того чтобы вновь увидеть Солнце не только таким же запятнанным, как сейчас, но и с таким же магнитным полем, нам нужно подождать 22 года.

Таким образом, картина магнитного поля Солнца и засухи в Канзасе повторяются в среднем с одним и тем же периодом 22 года. Пока это ничего не доказывает и говорит лишь о совпадении чисел. Разных величин люди измеряют много, и мало ли какие совпадения бывают "в среднем"! Но, следуя Робертсу, попробуем рассмотреть процесс не в среднем, а в деталях, сопоставив отдельные события. Прежде всего, выражения типа "в следующем 11-летнем цикле" употребляются лишь для краткости, буквально их понимать нельзя. 11 лет - это средняя продолжительность цикла, каждый же конкретный цикл имеет свою длительность. Самый короткий из известных людям цикл тянулся 7,5 года, самый долгий - 16 лет. Можно сказать, каждый цикл имеет свое лицо. Тем не менее анализ Робертса показал, что каждая из известных канзасских засух одинаковым образом вписывается в свой солнечный цикл. Они случались всегда через один минимум числа пятен на следующий, независимо от длительности цикла (рис. 9). Это уже не выглядит случайным совпадением.

Рис. 9. 22-летний цикл солнечных пятен и засухи в Канзасе. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной - число солнечных пятен, взятое со знаком плюс или минус в зависимости от направления солнечных магнитных полей в данном 11-летнем цикле. Годы засух (подписанные вверху) отмечены вертикальными линиями

Но для одних людей "не выглядит", а для других может и "выглядеть" - где мера похожести?

В истории науки есть такой пример. Как только в середине прошлого столетия на материале 22-летних наблюдений был установлен 11-летний цикл изменений количества солнечных пятен на Солнце, сразу же появилось сообщение, что, судя по записям величины магнитного поля на Земле, его возмущенность меняется со временем так же, как и число солнечных пятен на Солнце. Это была первая замеченная солнечно-земная связь. Выдающийся физик Томсон (лорд Кельвин, ему мы обязаны открытием абсолютного нуля температуры) в 1892 году в своем обращении к лондонскому Королевскому обществу, президентом которого он в то время состоял, объявил эту одинаковость временного хода простым совпадением. Он утверждал это на основании безукоризненно выполненного им расчета.

Заметим, что Кельвин был человек наблюдательный. Интересна его оценка положения в физике накануне великого переворота в ней, где он с удивительной проницательностью отметил явления, выпадающие из общей картины. Академик И. Е. Тамм писал об этом: "К концу прошлого века среди физиков распространилась известная самоуверенность и самодовольство - преобладало мнение, что основные физические закономерности уже выяснены, остались доделки - пусть существенные, но все же не выходящие за рамки твердо установленных основ. Такой выдающийся физик, как В. Томсон, выступил именно с такого рода заявлением в речи, произнесенной им при наступлении нашего столетия. При этом он, правда, оговорился, что на ясном и спокойном физическом небосклоне пока еще не рассеялись два облачка - одно, связанное с опытом Майкельсона, другое - с так называемой ультрафиолетовой катастрофой, возникающей при рассмотрении теплового равновесия между веществом и излучением. Из первого "облачка" возникла впоследствии теория относительности, из второго - квантовая теория".

Но в вопросе о солнечно-земных связях В. Томсон был не прав. Шли годы, и цикл за циклом обе величины продолжали меняться одинаково. Эта согласованность стала общепризнанной, хотя результат Кельвина, следовавший из его расчета, никем опровергнут не был.

Мы гордимся своей наукой, логической неизбежностью ее выводов. Но логика начинается с предпосылок, рассуждений или расчетов, а предпосылки - это и мировоззрение, и ограниченность современной науки и техники, и чересчур общее, усредненное, грубое представление о предмете. Поэтому выводы физики не абсолютны. И теперь мы знаем, почему не подтвердился строгий расчет Кельвина. Ученый исходил из представления о пустом пространстве между Солнцем и Землей, на самом же деле это пространство заполнено плазмой солнечного ветра. О его существовании Кельвин не знал. Чтобы выявить солнечный ветер, потребовались десятилетия развития науки и космическая техника.

В данном случае для нас интересен не результат, а сам ход этой давней дискуссии: как убедить сомневающихся, что подмеченное согласованное изменение величин не есть просто случайное совпадение. Очевидно, это можно сделать, прогнозируя будущее на основе цикличности, установленной для прошлого.

Последняя засуха, из числа проанализированных Робертсом, относилась к 1953 году. Так как последние двойные циклы были несколько короче 21 года, следующую засуху надо было ожидать в 1973 году. Робертс предсказал, что она должна случиться с запозданием - таков был временной ход, так сказать, физиономия текущего цикла солнечной активности. Активность, как ей и полагалось, шла к своему минимуму, но неожиданное ее увеличение в 1972 году, о котором мы уже говорили, задержало выход на минимум. Соответственно, по предсказанию Робертса, откладывалось и наступление засухи. Засушливый период действительно наступил с опозданием: солнечная активность достигла наконец минимума в 1975-1976 годах, а ожидаемая жестокая засуха разразилась в 1976-1977 годах. Успех предсказывания Робертса сильно поднял авторитет гелиогеофизики.

В прошлом гелиогеофизикам особенно сильно доставалось за то, что объект их исследования - солнечно-атмосферные связи - так непостоянно ведет себя во времени.

Современные материалы говорят об очень интересном характере этой изменчивости. Сопоставим, например, количество осадков в Северной Америке и так называемое нормализованное число солнечных пятен. Его подсчитывают таким образом: делят разность между числом пятен в год ближайшего максимума и в исследуемом году на разность между числом пятен в годы ближайших максимума и минимума, результат умножают на 100. Введение такого нормализованного числа пятен позволяет стандартизировать данные об активности Солнца в разных циклах, поскольку величина этого числа в год максимума всегда равна 100, а в год минимума - нулю. Заметим, что необработанная характеристика солнечной активности - просто число пятен на год максимума (и минимума тоже) - меняется от цикла к циклу.

Изменение со временем количества осадков удивительно похоже на изменение нормализованного числа пятен на Солнце. Чтобы было ясно дальнейшее, надо остановиться на смысле слова "похоже". Похожесть может быть разная. Например, человек похож на своего брата-близнеца. Это один тип. Но тот же человек походит и на свое отражение в зеркале, хотя в зеркале он выглядит, как левша, да и какой-нибудь шрам, если он есть, переместится с одной стороны лица на другую. Пусть это будет вторым типом похожести. Наконец, можно сфотографировать брата-близнеца, затем самого человека, фотографии разрезать по оси симметрии и склеить вместе половинки разных фотографий. Человек будет похож на получившееся изображение. Это третий тип, и так далее. Во всех случаях сходство не вызовет сомнений.

Так вот, временной ход количества осадков и нормализованного числа солнечных пятен по-разному похож на различных географических широтах. Кривые, изображающие эти величины в период 1910-1960 годов на широтах 70-80°, похожи друг на друга почти как копии одна другой. На широтах 60-70° в 1885-1960 годах одна кривая является как бы зеркальным отражением другой (то есть когда одна величина убывает со временем, идет возрастание другой).

Неодинаковое проявление солнечно-атмосферных связей в близких географических районах нам уже знакомо. Сейчас нас интересует их изменчивость со временем. Она обнаруживается в данных для широт 50-60° за время с 1890 по 1960 год. В течение первых двух циклов солнечной активности кривые были зеркальным отражением одна другой, затем стали "копиями" друг друга. Это очень показательно: изменчивость солнечно-атмосферных связей оказывается здесь выразительным переходом от одного упорядоченного типа изменения к другому. Это вовсе не похоже на то хаотическое разрушение замеченных связей, которое выявляется при более длительном наблюдении и всегда указывает, что мы видим закономерность там, где ее на самом деле нет!

Итак, солнечно-атмосферные связи оказываются не такими уж капризными, несмотря на свою региональность и изменчивость во времени.

На какие только неожиданности не наталкиваются порой исследователи солнечно-атмосферных связей! Недавно Вилкокс с сотрудниками попытался продолжить работу по изучению зависимости силы циклонов от магнитных возмущений, связанных с прохождением секторной границы межпланетного магнитного поля. И вдруг... Оказалось, что в последние годы эффект либо совсем не обнаруживается, либо проявляет себя очень нечетко. В чем дело? Опять изменчивость? Изменчивость одной из фундаментальных закономерностей в солнечно-атмосферных связях? Нет, все проще. В эти годы центр геофизических данных перешел на новую систему хранения информации. Поскольку часто бывают нужны данные, усредненные по каким-то промежуткам времени, сглаженные, хранители архивов непосредственный наблюдательный материал подвергли предварительной обработке - сглаживанию и только после этого внесли их в архив. В результате исследуемый эффект потерялся, вместе с водой выплеснули и ребенка. Это неудивительно. Вспомним результат Э. Р. Мустеля и его сотрудников: после значительных возмущений космоса - магнитных бурь - давление на Земле начинает меняться более замысловато, чем обычно. А любое сглаживание - это упрощение.