Главная » Хабрахабр » [Перевод] Научный эксперимент длиною в 315 лет

[Перевод] Научный эксперимент длиною в 315 лет

Как подсчёт солнечных пятен объединяет прошлое и будущее науки

После его выхода на пенсию в 1980 коллеги испытали такое облегчение, что почти отправили следом и инициативу, которой он руководил в качестве директора Цюрихской обсерватории. Самым высокомерным астрономом Швейцарии в середине XX века был специалист по солнечной физике Макс Валдмайер. Валдмайер отвечал за практику, уходящую корнями во времена Галилея, и остающуюся одной из самых длинных научных практик в истории: подсчёт пятен на Солнце.

С XIX века астрономы связывали солнечные пятна с солнечными вспышками, способными нарушить ход жизни на Земле. Цюрихская обсерватория была мировой столицей подсчёта солнечных пятен: холодных тёмных участков на поверхности Солнца, в которых циркуляция внутреннего тепла подавляется магнитными полями. В космическую эру он настаивал на ручном методе подсчёта пятен при помощи рефрактора Фраунгофера, названного в честь изобретателя XVIII века, и установленного первым директором Цюрихской обсерватории, Рудольфом Вольфом в 1849. Сегодня учёным известно, что пятна отмечают участки, создающие колоссальные электромагнитные поля, способные вмешиваться в работу всего, от системы глобального позиционирования и электрических сетей до химического состава атмосферы.
Что отталкивало потенциальных последователей Валдмайера, так это его враждебность по отношению к методам, отличавшимся от его собственного. Автоматические наблюдения и отслеживание Солнца со спутников было очевидным улучшением, а также менее субъективным, чем прищуренный взгляд человека. После ухода Валдмайера его ассистент, воспользовавшись неопределённостью в вопросе наследия, увёз и установил телескоп Фраунгофера у себя в саду.

Пятна появляются циклично. Но, несмотря на всю враждебность к Валдмайеру, его метод сохранился. Валдмайер понял, что интерпретацию нельзя подгонять из-за присущей циклу медлительности. Их число постоянно увеличивается в течение примерно 11 лет, за которыми следует около 11 лет уменьшений. «Чтобы понять Солнце, необходимо вести записи циклов на длительных временных промежутках». «Процесс не разогнать», — говорит астроном Фредерик Клетт, директор Центра анализа данных солнечного влияния в Королевской обсерватории Бельгии.

В отличие от большей части современной науки, идущей в ногу с технологическими разработками, наиболее стабильным устройством для обнаружения изменений звезды, дающей нам всем жизнь, остаётся человеческий мозг и глаз. А лучший способ поддерживать непрерывность данных, поясняет Клетт, это использовать метод наблюдений, связывающий прошлое с будущим.

Под присмотром Клетта дефекты всё ещё считают вручную. «Современные технологии и оборудование очень на многое способны, но эти технологии существовали всего несколько солнечных циклов подряд, поэтому они не показывают изменения циклов в течение столетий», — говорит Клетт, смотритель общемировой процедуры подсчёта пятен, которую начал Вольф в Цюрихе, теперь известной, как Международное число солнечных пятен или число Вольфа. «Считая их на глаз, мы можем связать то, что видим сегодня, с тем, что видели в далёком прошлом».

Один из самых долгоживущих научных методов – это простое наблюдение. Это удивительная история, говорит Клетт. «Это долгая, систематическая эволюция сбора информации, приведшая к пониманию явления солнечных пятен, и, вишенка на торте – возможность предсказывать будущее».


Работает – не трогай: рефрактор Фраунгофера, названный именем его изобретателя XVIII века, использовался специалистами по физике Солнца для подсчёта пятен большую часть XX столетия.

Поскольку Солнце было центральным объектом нескольких древних религий, любые пятна считались значительным явлением. Наблюдения за пятнами начались раньше современной астрономии, по меньшей мере, на три тысячелетия. Древние китайцы считали пятна строительными блоками летающего дворца, или даже мазками кисти, определяющими характер короля. Для древних африканцев с берегов Замбези солнечные пятна были грязью, которой ревнивая Луна заляпывала лицо Солнца. Вергилий использовал более практичный подход, предупреждая в своих "Георгиках":

Если же пятна начнут мешаться с огнем золотистым,
Всё — ты увидишь — тогда закипит одновременно ветром
И облаками

Из тщательных наблюдений в телескоп за ежедневными изменениями их внешнего вида, он правильно решил, что Солнце сферическое и поворачивается вокруг своей оси, перенося изменяющиеся дефекты. Галилей изучал пятна более научно, и считал их полезными отметками для калибровки в своих изучениях солнечного диска. Это оставляло много возможностей для воображения. Но с его точки зрения пятна были случайными. Астроном Уильям Гершель считал, что это были проходы в тёмный подсолнечный мир, где люди живут под яркой оболочкой светила. Философ Рене Декарт считал, что пятна были океанами доисторической пены.

Генрих Швабе, работая аптекарем, начал наблюдать за Солнцем в 1826, и постоянно занимался этим более 300 дней в году сорок лет. Однако был один астроном-любитель, которому просто хватало наблюдений за небом и записей обо всём, что он видел. Не найдя ничего определённого, он постепенно занялся наблюдением за пятнистой поверхностью Солнца. Изначально он искал неоткрытые планеты внутри орбиты Меркурия.

У него не было тому объяснения, но он решил, что другие могут узнать что-то полезное из его наблюдений, поэтому он опубликовал одностраничную заметку в журнале Astronomische Nachrichten. К 1844, насчитав десятки тысяч пятен, Швабе убедился, что пятнистость имеет цикл: количество пятен увеличивалось и уменьшалось каждые 10 лет. Когда Вольф стал директором Цюрихской обсерватории в 1864, он решил выбрать темой для исследования цикл солнечных пятен. Его работу прочёл Рудольф Вольф, 30-летний директор Бернской обсерватории.

Чтобы установить наличие цикла и измерить его правильно, он благоразумно решил собрать прошлые данные – начиная со Швабе – и интегрировать их в собственные ежедневные наблюдения. Вольфа не удовлетворяли расчёты только по течению времени.

Количество не совпадало даже при подсчётах в течение одного дня, проводившихся тысячи раз с 1849 по 1868, до последнего подсчёта Швабе. Проблема была в том, что цифры не совпадали. Для компенсации этого, Вольф принял два важных решения. Телескоп Фраунгофера был значительно мощнее старого инструмента Швабе, и в него было видно, что многие из пятен Швабе на самом деле были скоплениями. Вторым решением было установить отношение между количеством пятен, подсчитанных им и Швабе, когда их наблюдения проходили в один и тот же день. Первое – пересмотреть собственные подсчёты – ведь на самом деле была важна относительная активность пятен. Он получил коэффициент, назвал его k, и это был множитель, который можно было применять к старым наблюдениям Швабе до 1849 года, статистически совмещая их с новыми данными Вольфа.

Благодаря множеству одновременных наблюдений, Вольф смог использовать старые данные Швабе, чтобы вывести коэффициенты k для других учёных, и надёжно продлил свои данные по количеству пятен до 1700 года. Коэффициент сделал возможным нечто ещё более интересное. Затем Вольф создал на континенте целую сеть подсчётчиков пятен, и их ежедневные подсчёты, разнящиеся от нуля до пары сотен, стали одним из самых надёжных наборов данных в астрономии.

Сначала Вольф пересчитал этот период в 11 лет, и решил, что открыл его причину: Юпитеру на обход Солнца по орбите требуется как раз 11 лет. Данные показали, что Швабе был прав насчёт цикла солнечных пятен, но не насчёт его длительности. Некоторые циклы длились по 14 лет. Однако чем больше циклов он собирал, тем менее достоверной выглядела эта корреляция. Поскольку орбитальный период Юпитера не изменялся, учёному пришлось признать поражение. Другие по 9.

Он считал вплоть до своей смерти в 1893 году. Он продолжал подсчёты в уверенности, что кто-нибудь, имея достаточно данных, сумеет раскрыть механизм появления солнечных пятен. Их коэффициент k обеспечил плавный переход наблюдений к другим директорам Цюрихской обсерватории, вплоть до надменного Валдмайера, разработавшего эволюционную классификацию пятен и метод предсказания геомагнитных штормов, серьёзно продвинувший солнечную науку. К тому времени его ассистент Альфред Вольфер занимался подсчётом пятен вместе с ним уже 17 лет.

Солнечные пятна отмечают области, из которых вырываются колоссальные вспышки, влияющие на GPS и электрические сети Земли.
Потрясающее изображение солнечного пятна обозначает то место, где магнетизм подавил перемещение тепла в Солнце, солнечную конвекцию.

«По правде говоря, мы до сих пор точно не знаем, от чего зависит периодичность», — признаёт Клетт. Так почему же периоды тёмных пятен сменялись периодами чистого Солнца? Даже после 315 лет сбора данных механизм цикла солнечных пятен ещё предстоит полностью осветить.

В 1859 году два астронома-любителя в наблюдательной сети Вольфа заметили две ярких вспышки внутри скопления пятен. Однако со времён Швабе был сделан серьёзный прогресс, в особенности в области влияния солнечных вспышек. Несколько таких эпизодов убедили учёных в связи этих явлений, объяснение которой пришло в 1908 году, когда астроном Джордж Эллери Хейл использовал спектроскоп для определения магнитной природы солнечных пятен (магнетизм немного влияет на цветовой спектр). В последующие дни была нарушена работа телеграфа, а по всей Европе наблюдалось северное сияние. Они были не доисторической пеной или признаками населённости Солнца, а областями, в которых магнетизм подавлял перемещение тепла в Солнце, в процессе, известном, как солнечная конвекция. Тёмные дефекты Солнца, наконец, можно было понять.

Поскольку плазма электрически заряжена, и слои плазмы вращаются с разными скоростями, сфера Солнца ведёт себя, как динамо-машина, производя электромагнитные поля в тысячи раз сильнее полярного магнетизма Земли. Сегодня благодаря солнечной физике мы знаем, что циклы пятен управляются вращательным движением плазмы внутри вращающегося Солнца. Веками собиравшиеся данные по солнечным пятнам помогли учёным уточнить и проверить эти модели, запуская симуляции, наблюдая за тем, какие из моделей ближе всего походят на различную периодичность последовательных циклов. Циркуляцию плазмы, создающей солнечное динамо, моделируют на суперкомпьютерах. Чем совершеннее становятся модели, тем лучше мы будем понимать цикл солнечных пятен.

«Количество пятен помогает установить тенденцию на следующие месяцы и годы для предсказания частоты и силы возмущений», — говорит он. Необходимость подсчёта солнечных пятен, поясняет Клетт, лишь увеличилась при переходе от телеграфов к спутникам. Коммерческие авиалинии также зависят от тенденций солнечных пятен, поскольку солнечный магнетизм влияет на скорость прохождения радиоволн в ионосфере и искажает координаты GPS. Королевская обсерватория Бельгии постоянно получает запросы на данные от телекоммуникационных и энергетических компаний. Если солнечная погода приближается к штормовой, пилоты перенесут внимание на другие инструменты навигации.

Медицинские исследователи пытаются найти связь между солнечным магнетизмом и раком. Между жизнью Земли и солнечными пятнами выводят и менее подтверждённые корреляции. Климатологи хотят знать, не вызваны ли малые ледниковые периоды периодами «великих минимумов» – когда на Солнце почти нет пятен – как это происходило в XVIII столетии. Экономисты смотрят за взаимосвязью между солнечными циклами и сельским хозяйством. На картинах того периода изображены люди, катающиеся на коньках по Темзе и Венеции.

Известно, что излучение Солнца меняет химический состав верхних слоёв атмосферы, а солнечные пятна модулируют интенсивность различных длин волн – от инфракрасных до рентгеновских – бомбардирующих нашу планету. Прогресс в климатологии особенно интересен. Связывая количество пятен с изменениями солнечного спектра, климатологи скоро смогут определить спектральную картинку Солнца во время великого минимума XVIII века.

«Думаю, в этом суть научного исследования, во время которого вы наблюдаете за новым явлением, которое не можете понять, — говорит Клетт. До такого применения данных Вольф никогда бы не додумался – это будет уроком для других Вольфов настоящего и будущего: решение одной из наиболее важных проблем в современной науке – глобальное изменение климата – будет зависеть от данных, собранных задолго до того, как о ней стало известно. Вы знаете, что получите новые знания, даже если они придут не с тех направлений, с которых вы ожидаете». – Это похоже на открытие новой территории.

Но, как смотритель исследования солнечных пятен, Клетт с ликованием встречает и другой прорыв: недавно он связался с человеком, унаследовавшим инструменты Вольфа от предательского ассистента Валдмайера. Объяснение цикла солнечных пятен станет итоговым подтверждением многовекового гамбита Вольфа. Наблюдения при помощи старого телескопа Фраунгофера снова вносят свой вклад в дело международного подсчёта солнечных пятен.

«Я смог определить коэффициент k этого телескопа, — говорит он. Восторг Клетт не имеет отношения к сантиментам, а лишь отмечает главную роль Вольфа в превращении подсчёта пятен в последовательную процедуру. Совпадение k – признак того, что система мозг-глаз не претерпела изменений за последние пару столетий». – Он идеально совпадает с тем, что определил Вольф в XIX веке – и это если учесть, что сегодня подсчётом занимается не Вольф.

Подсчёт солнечных пятен может быть моделью любого исследования, требующего долговременного сбора данных — таких, как неуловимые изменения в поведении древней звезды за тысячи лет до превращения в сверхновую. И если последняя пара столетий является хорошим индикатором, то простые наблюдения будут иметь ценность ещё очень долго. По сравнению с исследованием сверхновых, требующим времени десятков или сотен поколений, подсчёт солнечных пятен кажется очень быстрым.

Он будет зависеть от статистической хитроумности, достойной Вольфа, и упрямого традиционализма, достойного Волдмайера. Такой долговременный эксперимент станет эпической задачей. Но, чтобы достичь наивысшего потенциала, потребуется такой спокойный склад ума, как у Швабе, которому не обязательно было знать, что именно в итоге найдут в его данных – заслуга была и в простом наблюдении за явлением природы.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

[Перевод] Как я создавал карты континентов для своей игры

Часть 1. SVG и системы координат До недавнего времени размеры карт в моей игре Dragons Abound были фиксированными и несколько недетерминированными. Я считал их «региональными» — не картами всего мира, но его значительными частями, такими например, как западное побережье США ...

Google запатентовала VR-обувь, в которой можно ходить вечно

Взбираться по холмам, исследовать пещеры, путешествовать по бескрайним просторам. Скоро можно будет отправляться в большое приключение в комфорте своей квартиры. Ожидается, что это не только приведет к созданию новых игр «для впечатлительных», но и будет самым простым способом, не утруждая ...