Солнечные затмения в России: история и современность. Солнечные затмения 22 июля 1990 г. и 11 июля 1991 г. надежды и реальность
Автор: Э. В. Кононович - доктор ф. м. наук, профессор, Москва
Данная статья впервые опубликована в Астрономическом календаре ВАГО (Переменная часть) в 1992 году. Автор - доктор ф. м. наук, профессор Э. В. Кононович.
Мы публикуем эту статью в цикле "Солнечные затмения в России: история и современность", приуроченном к предстоящему 29 марта 2006 года Полному солнечному затмению, которое можно будет наблюдать на юге нашей страны и во многих других странах. В статьях этого цикла будут опубликованы различные материалы по наблюдениям солнечных затмений и, естественно, конкретно по предстоящему в марте полному солнечному затмению. Открывает этот цикл статья известного учёного, профессора, доктора ф. м. наук Э. В. Кононовича, рассказывающая о наблюдениях полного солнечного затмения 22 июля 1990 года.
Наблюдения солнечных затмений — святое дело для астрономов. С ними связано много важных открытий, годы упорной подготовки экспедиций в труднодоступные районы земного шара ради нескольких минут напряженных наблюдений, победы и разочарования, находки и потери. Открытие солнечной короны и хромосферы, протуберанцев и корональных дыр, гелия и «корония», оказавшегося впоследствии обычным железом, но в необычных условиях горячей и разреженной плазмы, — вот далеко не полный перечень того нового, что дали науке солнечные затмения.
Представления о структуре и природе самых важных слоев солнечной атмосферы, в пределах которых фактически находится наша Земля со всеми своими оболочками из атмосферы, ионосферы и магнитосферы,— пожалуй, наиболее важное для геофизики научное достижение гелиофизики. Почти каждое успешно наблюдавшееся солнечное затмение дало что-то важное для понимания Солнца, начиная с полного солнечного затмения 1842 г., которое наблюдалось во всей Европе и в Азии. Тогда ученые впервые обратили внимание на корону и протуберанцы и заподозрили их солнечную природу. Еще в 1851 г. был получен дагерротип затмения, а при затмении 1860 г. была впервые успешно применена коллоидная фотография. В 1868 г. во время затмения впервые применяется спектроскоп и открываются эмиссионные линии в спектре протуберанцев, в том числе линия до тех пор неизвестного на Земле гелия. В 1870 г. Юнг впервые увидал спектр вспышки и открыл знаменитую зеленую линию в спектре солнечной короны с длиной волны 530,3 нм. Сейчас это одна из важнейших линий, в которой постоянно наблюдают солнечную корону. Она принадлежит FeXIV.
В наше время также удается узнать много нового. Во время затмения 1936 г. благодаря нескольким однотипным инструментам, установленным вдоль полосы затмения, удалось зафиксировать динамику множества элементов структуры короны. В 1966 г. впервые был применен новый метод фотографирования короны через специальный радиальный фильтр. В этом фильтре непрозрачность возрастает по определенному закону по мере приближения к центру круга, совмещаемого с изображением Солнца в момент полной фазы. Яркость внутренней короны компенсируется, и на одном снимке оказывается возможным одновременно зафиксировать структуру изображения как внутренней, так и внешней короны.
В последние годы для определения структуры короны успешно применяются поляризационные приборы, позволяющие выделить и измерить ту часть свечения короны, которая обусловлена рассеянием солнечного света на свободных электронах, образующихся в ней из-за процессов ионизации атомов в разреженной горячей плазме. Для определения температурной и динамической структуры короны с 50-х годов успешно применяются приборы высокой разрешающей силы, например, эталоны Фабри—Перо, в которых создается интерференционная картина колец, являющихся полосами равного наклона. При совмещении изображений колец и короны получается возможность определить температуру и скорость движения вещества короны в каждой точке такого кольца. Особую роль в современных исследованиях солнечной короны и хромосферы играют наблюдения радиоизлучения в различных диапазонах. В этих случаях, в отличие от оптических наблюдений, затмение оказывает услугу не столько тем, что экранирует яркую фотосферу, невидимую в радиодиапазоне, сколько тем, что позволяет наблюдать различные стадии закрытия Луной локальных источников радиоизлучения в короне, которые радиотелескоп регистрирует на диске Солнца. Таким образом, радиоастрономию интересует не только полная, но и частные фазы затмения.
Важно, что совершенствование методов наблюдений происходит очень быстро, вместе с прогрессом техники. Буквально на наших глазах происходит внедрение в астрономическую практику твердотельных приемников излучения, микроканаловых пластин, волоконной и адаптивной оптики вместе с прямыми методами цифровой регистрации мощности излучения, которые обеспечиваются современными компьютерами. Возникает естественный вопрос: нужно ли продолжать столь трудоемкие наблюдения солнечной короны во время затмений? Неужели все еще не накоплен достаточный материал? Ведь в наше время разработаны и успешно применяются методы наблюдений короны вне затмений (правда, только поляризованной и эмиссионной компонент).
Ответ прост. Во-первых, новая техника позволяет получать ранее недоступную информацию. Во-вторых, все еще остаются загадкой физические причины столь высокого разогрева короны и механизмы ускорения ее вещества как в «спокойных» областях солнечного ветра, так и в особенно активных областях при возникновении корональных выбросов массы и транзиентов. Для изучения этих явлений необходимо исследование наиболее тонких структур короны с очень высоким разрешением.
Большим стимулом развития методов наблюдений солнечных затмений является возможность наблюдать несколько затмений подряд. В этом отношении нашей стране повезло, так как затмение 22 июля 1990 г., хотя и оказавшееся малоуспешным из-за погодных условий, явилось хорошей репетицией и подготовкой к затмению 11 июля 1991 г., центр полосы которого прошел через астрономическую обсерваторию Мауна Кеа на Гавайских островах (уникальный случай!), мексиканскую часть южной Калифорнии, Мехико, Коста Рику, Колумбию и Бразилию. К тому времени, как выйдет в свет эта статья, уже будут известны предварительные результаты работы множества экспедиций разных стран. Сейчас они усиленно готовятся к этой экзотической поездке. Мне посчастливилось наблюдать в 1970 г. великолепное зрелище короны на чистом голубом мексиканском небе. Надеюсь, успешно удастся пронаблюдать и следующее затмение в этой стране.
В любом случае небезынтересно знать, что планировалось и что реально удалось сделать на «репетиции» в 1990 г. Полоса полной фазы затмения 22 июля прошла от Финляндии севернее Ленинграда, захватила южную оконечность Кольского полуострова, прошла по Белому морю и через Соловецкие острова (т. е. в местах не слишком далеких от столицы), затем пересекла южную оконечность Новой Земли, полуостров Таймыр, нижнее течение Колымы и север Магаданской области, чтобы закончиться в районе Алеутских островов. Любопытно, что жители Москвы не наблюдали «у себя дома» картину полной фазы солнечного затмения вот уже скоро пять веков и будут еще ждать более 100 лет, тогда как в некоторых других местах, например, на Колыме за 150 лет полная фаза трижды проходит почти через одни и те же места.
Если затмения в настоящее время предсказываются безошибочно, то метеорологические прогнозы значительно менее надежны. Все же в отношении, наблюдений июльского затмения 1990 г. прогнозы подтвердились достаточно строго: из трех мест, в основном ставших «прибежищем» большинства научных экспедиций и множества любительских групп, только одно оказалось благоприятным для наземных оптических наблюдений. Если учесть, что в среднем вероятность ясного неба в часы затмения по многолетним метеоданным составляла примерно 30%, то математическое ожидание по всем трем точкам действительно близко к 1. Так же точно в поселке Черский Нижнеколымского района, в котором полные затмения в 1906 и 1990 гг, происходили при плохой погоде, следует ожидать, что в 2057 г. погода должна быть хорошей.
Наибольшее число экспедиций, любительских и туристских групп сконцентрировалось в районах Беломорска и Кеми, поселка городского типа Черский в Якутии и поселка Маркове в Магаданской области. Оказалось, что вдоль всей полосы затмения метеорологические условия в момент полной фазы быль4 крайне неблагоприятными. На западе, в районе Белого моря надежда на разрывы в облаках была, но вскоре после восхода Солнца восточная часть неба сильно затянулась облаками. На востоке страны картина была обратная: за несколько дней перед затмением сплошная облачность достигла высот в 10 км. Только накануне затмения появились признаки возможного раскрытия облачности в районе Маркова. В день затмения с утра в Маркове было еще пасмурно, но разрывы в облаках, появившиеся к середине дня, позволили провести оптические наблюдения солнечной короны с Земли. Эти разрывы в облаках достигли поселка Черский только к вечеру, когда затмение уже закончилось. К счастью, в Маркове находились научные экспедиции из Москвы (ГАИШ совместно с группой из Дома научно-технического творчества молодежи), Киева, Львова и Одессы. Поэтому важнейшие научные результаты были получены именно здесь.
Наиболее эффектный снимок солнечной короны был получен с описанным выше радиальным компенсирующим светофильтром Н. И. Дзюбенко,Г. А. Рубо и В. В. Бондарчуком из Киева в рамках международной программы. Целью этой программы было исследование выбросов коронального вещества, что можно осуществить, если сравнить между собой несколько таких снимков, полученных на одинаковых приборах, но в разных местах вдоль полосы. Чем сильнее удалены друг от друга наблюдатели, тем надежнее можно измерить небольшие изменения структуры в короне, по которым и вычисляются массы движущегося вещества в короне и их скорости. Для этой цели два других аналогичных прибора были расположены в Беломорске и в Черском, но, к сожалению, как уже отмечалось, метеоусловия не позволили выполнить программу полностью.
Если бы погода позволила, то сравнение трех одинаковых по качеству снимков, полученных с интервалом около двух часов, дало бы важную информацию об изменении структуры короны за это время и о соответствующих перемещениях в ней различных плазменных образований.
Той же киевской группой исследователей был получен и «обычный фотопортрет» солнечной короны с. длиннофокусным инструментом.
Другим важнейшим результатом затмения является серия фотографий солнечной короны, полученных через спектральный прибор высокой разрешающей силы —эталон Фабри—Перо. Этот прибор представляет собой два высококачественных параллельных плоских зеркала. Подложки для них обычно делают из плавленого кварца, чтобы уменьшить температурные влияния. Сами зеркала образованы напылением диэлектрических покрытий на тщательно полированные кварцевые поверхности. Важная особенность этих покрытий — высокий коэффициент отражения и ничтожное поглощение. В итоге свет, проходящий через эти зеркала, испытывает многократные отражения, и возникает множество параллельных лучей, которые, интерферируя, дают систему колец равного наклона. Каждое кольцо соответствует определенной спектральной линии, выделенной дополнительным фильтром — предмонохроматором. На рис.2 приведено полученное Е. А. Макаровой, А. Б. Делоне и Г. В. Якуниной, изображение солнечной короны, пересеченное кольцами (на фото видны только части колец).
Тщательные фотометрические измерения толщины колец, выполненные на микрофотометре, позволяют получить профиль спектральной линии в тех местах изображения короны, где наловились кольца. Сотрудники ГАИШ выполнили фотографирование короны таким методом в двух важных спектральных линиях соответствующих менее и более горячим областям солнечной короны. Обработка снимков позволяет найти распределение температуры в короне и, что особенно важно, выделить отдельные образования, движущиеся с различными скоростями. Это исследование, выполнявшееся на многих предыдущих затмениях, позволило установить наличие движений в короне, происходящих со скоростями 50—60 км/с.
В поселке Маркове удалось успешно осуществить также ряд других наблюдений во время затмения. Две группы исследователей из Одесского государственного университета провели абсолютную фотометрию Солнца и солнечной короны, а также измерили количество рассеянного света Солнца в зените. К сожалению, результаты последнего эксперимента искажены влиянием рассеяния от облаков.
Киевские астрономы (совместная экспедиция ГАО АН УССР и Киевского государственного университета) также поставили перед собой геофизические задачи. Они измерили интенсивность прямого и рассеянного атмосферным аэрозолем солнечного излучения. Это необходимо для оценки быстрых изменений непрозрачности земной атмосферы. Оказалось, что в момент полной фазы затмения происходят сильные колебания излучения, рассеянного аэрозолем.
В поселке Черский с утра дня затмения шел дождь. До позднего вечера накануне и с утра в воскресенье 22 июля шло совещание штаба по затмению: астрономы договаривались с авиаторами и местными властями о том, как спасти хотя бы часть научных программ. Однако группа исследователей из Ленинградского университета под руководством В. Г. Нагнибеда и специалисты из МГТУ им. Н. Э. Баумана спокойно продолжали подготовку к наблюдению радиоизлучения Солнца на волне 3 мм при помощи оригинального радиотелескопа. Антенной инструмента служило металлическое зеркало диаметром 60 см. Для компенсации атмосферных флуктуации применялся метод кругового сканирования. Поскольку облака в этом диапазоне довольно прозрачны, их влияние свелось к некоторому ослаблению сигнала, но в целом эксперимент прошел удачно. Определена радиояркость солнечного края и получена информация о структуре локальных источников радиоизлучения в солнечной короне.
Двумя часами раньше коллеги этой группы, оставшиеся в Ленинграде, проводили также радиоастрономические наблюдения частных фаз затмения в Петергофе на волне 8 см. Кроме того, радиоастрономические наблюдения частных фаз затмения проводились в Якутии на ряде длин волн сантиметрового и дециметрового диапазонов объединенной экспедицией ряда институтов (ГАО АН СССР, САО АН СССР, Ленинградский педагогический институт). Получена информация о радиоизлучении по крайней мере двух активных областей на Солнце.
Но вернемся в поселок Черский. Для того чтобы лучше представить обстановку, царившую в штабе солнечного затмения, следует сказать о том, что в Черском, помимо научных экспедиций из Москвы (ГАИШ, ИЗМИРАН), Абастумани, Киева, Харькова, Одессы, Нижнего Новгорода и других городов страны, скопилось множество научных и главным образом, любительских и туристских групп ряда зарубежных стран: США, Франции, Германии, Нидерландов, Чехословакии и Японии. То же самое имело место и в Беломорске и в меньшей степени в Маркове, где из иностранцев находились только представители Чехословакии.
Сложилась необычная ситуация, когда энтузиазм любителей и туристов достиг такого же, если не большего, накала, как страсть к науке у профессионалов. Перед лицом идущего дождя все были равны. На помощь пришли авиаторы, мобилизовавшие все имевшиеся в их распоряжении воздушные транспортные средства: самолеты АН-26 и ИЛ-14, вертолеты. К сожалению, последние были бессильны преодолеть многокилометровую толщу облаков. Всё же экспедиции Абастуманской обсерватории удалось выполнить часть своей программы с борта вертолета, командир которого удачно нашел разрыв в облаках на небольшой высоте.
Конечно, не всем удалось вылететь. Но все четыре самолета, поднявшиеся в воздух, были полностью загружены пассажирами и достигли высот, где небо было либо абсолютно чистым, либо облачность была незначительна. Один из самолетов уносил вверх известного астролога Тамару Глоба, которая с интересом наблюдала психологию людей, потрясенных величественной картиной солнечного затмения. Поскольку Солнце было сравнительно высоко над горизонтом, чтобы увидеть явление в иллюминатор, приходилось ложиться на пол или принимать самые причудливые позы.
Картина затмения на всех произвела огромное впечатление, никто не остался равнодушным. Астрономы из ГАИШ вместе с пятью своими студентами фотографировали корону с различными телеобъективами на самые разные фотоматериалы.
Экспедиция ИЗМИРАН и чехословацкие астрономы летели на другом самолете и сумели сфотографировать спектр свечения атмосферы во время затмения.
Наблюдение затмения с самолета было большой радостью для туристов, полезным опытом для любителей и психологической разрядкой для профессионалов, затративших годы на подготовку аппаратуры к наблюдениям затмений, месяцы на организацию экспедиций и недели на разбивку лагеря, установку и юстировку инструментов.
В итоге несмотря на каверзы погоды большие усилия многих экспедиций не прошли даром: создана аппаратура, опробованная в экспедиционных условиях, накоплен опыт ее отладки и работы с нею. Кое-кому удалось хоть увидеть или даже запечатлеть корону, а некоторым счастливчикам, оказавшимся в Маркове, удалось даже получить серьезные научные результаты. Весь этот опыт, свежий в памяти, помог лучше подготовиться к следующей атаке на тайны солнечной короны, которая состоялась 11 июля 1991 г. Мы уже знаем, кому и где повезло на этот раз.
Наиболее эффектный снимок солнечной короны был получен с описанным выше радиальным компенсирующим светофильтром Н. И. Дзюбенко,Г. А. Рубо и В. В. Бондарчуком из Киева в рамках международной программы. Целью этой программы было исследование выбросов коронального вещества, что можно осуществить, если сравнить между собой несколько таких снимков, полученных на одинаковых приборах, но в разных местах вдоль полосы. Чем сильнее удалены друг от друга наблюдатели, тем надежнее можно измерить небольшие изменения структуры в короне, по которым и вычисляются массы движущегося вещества в короне и их скорости. Для этой цели два других аналогичных прибора были расположены в Беломорске и в Черском, но, к сожалению, как уже отмечалось, метеоусловия не позволили выполнить программу полностью.