Книга: Вам, земляне

Солнечная система

Солнечная система

Земля — не изолированное космическое тело. Она входит в состав Солнечной системы, которую образуют Солнце и обращающиеся вокруг него космические тела. Понять происхождение нашей планеты невозможно, если не учитывать физические и механические свойства Солнечной системы. Возможно, что и этого недостаточно, и процесс возникновения Земли может быть вполне осмыслен лишь в тесной связи с эволюцией звезд, звездных систем и даже всей наблюдаемой нами части Вселенной. Как бы там ни было, общее знакомство с современной Солнечной системой есть первый и неизбежный шаг в познании ее происхождения.

Известными в наше время членами Солнечной системы являются: девять больших планет, спутники планет (34), множество малых планет (свыше 1600), бесчисленные кометы, метеориты и метеорные тела, а также мельчайшие частицы твердого вещества и весьма разреженные газы, находящиеся в межпланетном пространстве.

Все большие планеты движутся вокруг Солнца почти в одной плоскости и в одном направлении (рис. 25).

Рис. 25. Орбиты больших планет.

Надо, правда, заметить, что плоскость орбиты Плутона наклонена к плоскости земной орбиты под значительным углом (17°). В порядке удаленности от Солнца за ближайшей к Солнцу планетой Меркурием следует Венера, затем Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Меркурий, Венера, Земля и Марс сравнительно недалеки от Солнца и невелики по размерам. Они образуют группу планет земного типа. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун огромны (Юпитер, например, больше Земли по объему в 1300 раз), поэтому носят название планет-гигантов. Что касается плохо изученного Плутона, то, возможно, что он принадлежит к планетам земного типа.

Поскольку планеты находятся на разных расстояниях от Солнца, продолжительности их «года» и скорости орбитального движения неодинаковы. Неодинакова и продолжительность суток на планетах, различны диаметры планет, их массы и плотность, а следовательно, физическое состояние, в том числе состав и плотность планетных атмосфер, строение их поверхностей и недр.

Наше предварительное знакомство с планетами будет кратким.

Меркурий — наименьшая из девяти главных планет. Поперечник Меркурия составляет 0,38 диаметра Земли, а по массе эта планета почти в 17 раз уступает земному шару. Недавно вокруг Меркурия обнаружена очень разреженная атмосфера, состоящая, по-видимому, в основном из гелия.

Период обращения Меркурия вокруг Солнца равен 88 земным суткам, а вокруг оси — 58 суткам. Близость Меркурия к Солнцу разреженность его атмосферы создают резкие температурные контрасты. На стороне Меркурия, обращенной к Солнцу, температура +510 °C, т. е. выше той, при которой плавится свинец. На ночной половине Меркурия господствует жестокий холод (—185 °C).

Венера по размерам и массе близка к Земле. Венеру окружает плотная атмосфера из углекислого газа (97 %) с примесью азота (2 %), кислорода, водяных паров и других газов. Постоянный облачный покров Венеры полностью скрывает от земных наблюдателей поверхность планеты. Природа облаков Венеры пока неясна. Возможно, что они состоят из ледяных кристаллов или (недавно высказана и такая гипотеза) из капелек серной кислоты. Продолжительность суток на Венере близка к 24 земным суткам, причем вращается Венера в сторону, противоположную вращению остальных планет. На поверхности Венеры температура близка к +500 °C, а давление около 10 МПа. У Венеры, как и у Меркурия, спутники не обнаружены.

Марс меньше Земли в поперечнике в два раза, по массе почти в 10 раз. Как и Земля, Марс вращается вокруг своей оси, причем продолжительность марсовых и земных суток почти одинакова. На Марсе, ось вращения которого наклонена к плоскости орбиты под углом 65° (у Земли — 66,5°), как и на Земле, периодически сменяются времена года. Смена времен года сопровождается заметными изменениями поверхности планеты. У полюсов Марса наблюдаются белые пятна, называемые «полярными шапками». Подобно снеговому покрову на земной поверхности они уменьшаются летом в данном полушарии Марса и увеличиваются зимой. Установлено, что полярные шапки Марса состоят из льда, инея и, по-видимому, частично из замерзшей углекислоты.

Марс окутан весьма разреженной атмосферой, в которой содержится до 95 % углекислого газа с примесью азота, аргона, водяных паров, кислорода, возможно, других газов. Облака в марсианской атмосфере состоят, скорее всего, из ледяных кристалликов. Часто наблюдаются беловатые туманы и желтоватые пылевые бури.

Марс имеет два крошечных спутника неправильной осколочной формы — Фобос и Деймос. Наибольший поперечник Фобоса 30 км. Деймоса —15 км. Каждые 15–17 лет Марс наиболее близко подходит к Земле (на расстояние около 55 млн. км), и в периоды таких «великих противостояний» изучать его наиболее удобно. Ближайшее «великое противостояние» Марса наступит в 1986 г., тогда как обычные «рядовые» противостояния повторяются через каждые два года.

Юпитер и Сатурн — самые большие планеты Солнечной системы (рис. 26).

Рис. 26. Сравнительные размеры Солнца и планет.

На долю этих двух планет приходится 92 % массы всех планет, вместе взятых. Состоят они, судя по теоретическим расчетам, как и Уран и Нептун, в основном (до 70 % по массе) из водорода и его соединений с углеродом (метан) и азотом (аммиак), а также гелия (по последним данным, атмосфера Юпитера состоит на 36 % из гелия). По своей природе планеты-гиганты, пожалуй, больше напоминают звезды, чем планеты земного типа.

В атмосферах планет-гигантов при господствующих там низких температурах метан и аммиак образуют огромные плотные облачные слои, наблюдаемые в виде полос. Благодаря быстрому вращению вокруг своих осей (сутки там имеют продолжительность от 10 до 16 часов) планеты-гиганты имеют значительное полярное сжатие.

Планета Сатурн окружена тонким кольцом, внутренний край которого, возможно, соприкасается с атмосферой. При толщине кольца около 15–20 км его ширина близка к 50 000 км. В разные годы в зависимости от взаимного расположения Земли и Сатурна вид его кольца меняется. В те годы, когда кольцо Сатурна обращено к Земле своим ребром, его можно наблюдать только в самые мощные телескопы. Кольцо Сатурна, точнее кольца состоят из множества покрытых льдом твердых частиц, каждая из которых обращается вокруг Сатурна вполне самостоятельно. В кольцах Сатурна есть темные промежутки — «щели», разделяющие его на много концентрических колец.

Все планеты-гиганты имеют спутников. У Юпитера известно 15 спутников, у Сатурна — 17, у Урана — 5, у Нептуна — 2. Некоторые из этих лун по своим размерам сравнимы с Луной или даже несколько превышают ее.

Наиболее крупные из спутников планет (Ганимед, Ио, Титан и другие) имеют вокруг себя разреженные атмосферы. Меньшие спутники (равные или уступающие Луне по размерам и массе) лишены их. Общее число спутников 44.

Системы спутников планет-гигантов похожи на Солнечную систему в миниатюре. Особенно большое сходство, как показали расчеты советского астронома С. С. Гамбурга, имеет система спутников Юпитера, которая геометрически подобна Солнечной системе. Происхождение систем спутников, вообще говоря, подобно происхождению планетных систем, хотя некоторые спутники, возможно, когда-то представляли собой самостоятельные тела и были лишь позже «пойманы» тяготением планет при близком к ним прохождении.

Плутон по массе и размерам почти впятеро меньше Земли, а сутки на Плутоне в 6,4 раза продолжительнее земных. Температура на поверхности этой далекой планеты так низка (ниже—220 °C), что большинство газов при этом должно перейти в твердое или жидкое состояние, поэтому вряд ли Плутон окружен атмосферой. На расстоянии около 17 000 км вокруг Плутона обращается спутник радиусом 650 км.

Иногда на небосводе появляются странные светила. Внешне они похожи на туманную, расплывчатую звезду, от которой отходит один или несколько слабосветящихся прозрачных «хвостов». Еще в древности эти светила получили наименование комет. В переводе с древнегреческого слово «комета» означает «косматая звезда».

Большие и яркие кометы, обращающие на себя внимание всякого, кто взглянет на звездное небо, сравнительно редки. В среднем их удается наблюдать, как показывает статистика, один раз в десятилетие. Что же касается слабых по яркости и небольших по видимым размерам комет, то их очень много. Не проходит года, чтобы астрономы не открыли на небе несколько таких «телескопических» комет.

По-видимому, все кометы являются членами Солнечной системы. Подобно планетам, они обращаются вокруг Солнца. Однако в отличие от орбит планет орбиты комет представляют собой чаще всего очень сильно вытянутые эллипсы, в одном из фокусов которых находится Солнце. В связи с этим расстояние комет от Солнца изменяется в весьма широких пределах. Перигелий[33] орбит некоторых комет находится очень близко от поверхности Солнца, тогда как их афелии — за пределами орбиты Нептуна.

Когда комета пролетает вдалеке от Солнца, ее можно наблюдать только в телескоп. В этот период комета выглядит крошечным размазанным туманным пятнышком, в центре которого заметно звездообразное сгущение, называемое видимым ядром. С приближением кометы к Солнцу ее яркость и видимые размеры непрерывно растут. Из туманной оболочки кометного ядра, называемой головой кометы, иногда вытягивается слабо светящийся туманный хвост.

Если комета близко подходит к Солнцу, у нее иногда образуется несколько хвостов, достигающих огромной длины. В такой период при удачных условиях наблюдения с Земли комета представляет собой величественное зрелище. Она медленно ото дня ко дню перемещается на фоне созвездий, при этом форма, размеры и яркость ее хвостов постепенно меняются.

Орбиты комет весьма разнообразны. Некоторые из комет, например комета Энке, имеют орбиту, целиком охватываемую орбитой Юпитера. Такие кометы, как Галлея, движутся по орбитам, афелии которых дальше орбиты Нептуна и даже Плутона. В связи с этим периоды обращения комет вокруг Солнца также весьма различны — от нескольких лет до многих веков и даже тысячелетий.

Размеры комет грандиозны. Головы некоторых из них больше Солнца, а хвосты тянутся на сотни миллионов километров! Однако при таких невообразимо больших размерах масса кометы очень мала и составляет в среднем ничтожные доли массы Земли.

Главная часть вещества комет сосредоточена в ее твердых ядрах, которые, по-видимому, представляют собой ледяные глыбы из замерзших газов, включающие в виде примесей многочисленные твердые тугоплавкие частицы. Поперечники ядер комет не превышают, как правило, несколько километров. При сближении пометного ядра с Солнцем замерзшие газы испаряются (или, точнее, возгоняются), образуя обширную газовую голову кометы и ее газовые хвосты. В некоторых случаях из ядра кометы может выделяться мелкая твердая космическая пыль, из которой формируются пылевые хвосты кометы.

Еще в древности было замечено, что основные хвосты комет всегда направлены в сторону, противоположную Солнцу. Иначе говоря, на частицы, образующие пометные хвосты, кроме солнечного притяжения, действует какая-то отталкивающая сила, исходящая от Солнца. Используя эти факты, знаменитый русский исследователь комет Ф. А. Бредихин (1831–1904 гг.) впервые создал стройную теорию, хорошо объясняющую основные пометные явления. Он доказал что хвосты комет можно разделить на три основных типа (рис. 27).

Рис. 27. Типы хвостов комет по Ф. А. Бредихину.

К хвостам типа I Ф. А. Бредихин отнес прямолинейные хвосты, тянущиеся в сторону, противоположную Солнцу. На частицы таких хвостов, как доказал этот исследователь, действуют отталкивательные силы Солнца, в десятки раз и более превосходящие его притяжение. Хвосты типа II — широкие, изогнутые наподобие сабли в сторону, обратную движению кометы. По теории Бредихина, они состоят из частиц, для которых отталкивательные силы Солнца сравнимы с силой его притяжения. Наконец, хвосты типа III, короткие, прямолинейные, сильно отклоненные в сторону, обратную движению кометы, состоят из частиц, на которые отталкивательная сила Солнца почти совсем не действует.

Для пылевых кометных хвостов роль отталкивательной силы выполняет световое давление солнечных лучей. Для газовых хвостов типа I такое объяснение не годится. Огромные ускорения молекул, их составляющих вызваны взаимодействием магнитного поля «солнечного ветра» (т. е. потоков протонов, электронов и других частиц, выброшенных Солнцем) с кометной плазмой. Хвосты типа I имеют газовую природу и включают главным образом ионизированные молекулы азота и угарного газа. Хвосты типа III состоят из мелкой твердой пыли, а хвосты типа II, по-видимому, имеют смешанный состав (нейтральные газовые молекулы и пыль). Газообразные головы комет состоят в основном из циана и углерода.

В начале XIX века астрономы открыли несколько малых планет, обращающихся вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера.

Четырем самым крупным из них были присвоены имена древнегреческих богинь — Цереры, Юноны, Паллады и Весты. Все они недоступны наблюдению невооруженным глазом, а при наблюдениях в телескоп выглядят неяркими звездочками, перемещающимися на фоне настоящих звезд. По этой причине малые планеты были названы астероидами, т. е. звездоподобными.

В настоящее время открыто и изучено движение свыше 2300 астероидов. Самый крупный из них — астероид Церера (рис. 28) — имеет поперечник около 1000 км.

Рис. 28. Сравнительные размеры крупнейших астероидов и Луны.

Большинство астероидов гораздо меньше. Их диаметры измеряются десятками и даже единицами километров. Известны астероиды, поперечники которых близки к 1 км. Подобных и даже более мелких еще не открытых астероидов, по-видимому, очень много. Малые планеты имеют чаще всего неправильную, осколочную форму. Масса астероидов так мала, что даже самые крупные из них лишены атмосфер. Как и крупные планеты, астероиды не имеют собственного света, а лишь отражают падающие на них солнечные лучи.

В феврале 1947 г. на Дальнем Востоке в районе хребта Сихотэ- Алинь произошло падение крупного метеорита массой в десятки тонн. Когда определили его орбиту, оказалось, что он «пришел» к Земле из пояса астероидов. Аналогичную орбиту имел и Пшибрамский метеорит, упавший в апреле 1959 г. в Чехословакии.

Сейчас не вызывает сомнений, что подавляющее большинство метеоритов (если не все) и астероиды — тела одной природы. Мы называем метеоритами те из астероидов, которые, обладая сильно вытянутыми эллиптическими орбитами, сталкиваются с Землей и падают на земную поверхность. Врезавшись с огромной скоростью в земную атмосферу, метеорит испытывает сильное сопротивление воздуха. Впереди него образуется сгущение из раскаленного и ярко светящегося воздуха (так называемая воздушная подушка). Сам метеорит оплавляется, разрушается и лишь при значительной прочности не распадается на множество осколков. Полет метеорита в атмосфере сопровождается световыми и звуковыми явлениями, называемыми болидом. Ослепительно яркое тело, оставляя за собой огненный след и облака дыма, с грохотом проносится по небу.

Упавшие на Землю метеориты представляют огромную ценность для науки. До последнего времени это были единственные небесные тела, которые удавалось исследовать непосредственно в лабораториях. Метеориты считаются государственной принадлежностью, где бы и кем бы они ни были найдены.

По составу метеориты делятся на три основные группы: железные, каменные и железокаменные. В железных метеоритах преобладает железо с примесью никеля (до 30 %). В отличие от обычного земного железа метеоритное железо легко куется в холодном состоянии и обладает особой кристаллической структурой. Внешне железные метеориты напоминают осколки снарядов или бомб. Каменные метеориты состоят в основном из силикатов — в них преобладают кремний и кислород. Внешне каменные метеориты похожи на темные земные камни. Железокаменные метеориты имеют смешанный состав: примерно 50 % никелистого железа и 50 % силикатов. Среди каменных метеоритов следует особо выделить углистые хондриты, богатые органическими веществами (типа битумов). Они очень хрупки, плохо сохраняются и ценятся как величайшая редкость: во всем мире собрано всего лишь около двух десятков углистых хондритов. В метеоритах не найдено каких-либо веществ, неизвестных на Земле, но обнаружены характерные лишь для них минералы.

Особую разновидность метеоритов составляют ледяные метеориты, один из которых упал в мае 1970 г. в городе Яготине Киевской области на Украине. При падении ледяная глыба раздробилась на зеленоватые осколки общей массой около 15 кг. Они были собраны в банки и в растаявшем виде издавали запах аммиака, метана и сероводорода. Падения крупных глыб льда (иногда поперечником в несколько метров) неоднократно наблюдались в ясную погоду. По- видимому, в этих случаях Земля сталкивалась с ядрами микрокомет, а не с микроастероидами.

Масса метеоритов, хранящихся в музеях, весьма различна — от нескольких граммов до десятков тонн. Очень редко, в среднем один раз в тысячу лет, в земную атмосферу влетают исполинские метеориты массой в тысячи и десятки тысяч тонн. Воздушная оболочка Земли не в состоянии затормозить полет тела, и, не потеряв космической скорости (иногда в несколько десятков километров в секунду), исполинский метеорит врезается в земную поверхность. При этом ударе мгновенно разрушается кристаллическая решетка метеорита, и высвобожденные молекулы подобно молекулам сильно сжатого газа стремятся разлететься в разные стороны. В результате происходит взрыв, по мощности не уступающий взрыву сильнейших взрывчатых веществ в количестве, равном (или даже большем) массе метеорита. При этом взрыве как сам метеорит, так и окружающие его земные породы обращаются в раскаленный газ. Вот почему при падении исполинских метеоритов образуются огромные воронки, называемые взрывными метеоритными кратерами, или астроблемами.

В тех же случаях, когда метеорит невелик и почти полностью затормаживается атмосферой примерно на высоте 20–25 км, он с этой высоты опускается на Землю, как свободно падающее тело, и при падении образует небольшие воронки, называемые ударными метеоритными кратерами. На дне таких кратеров всегда находят осколки метеорита. Когда образуется взрывной метеоритный кратер, почти вся масса метеорита обращается в газ, и поиски метеоритного вещества могут оказаться безрезультатными.

Долгое время аризонский взрывной метеоритный кратер (поперечник—1,2 км, глубина—175 м) считался крупнейшим. Сейчас в Северной Америке и других районах земного шара известны метеоритные кратеры поперечником в десятки и даже сотни километров.

В 1970 г. советские исследователи установили, что огромная Попигайская котловина в северо-восточной части Сибири вблизи Ледовитого океана представляет собой метеоритный кратер поперечником около 100 км. Образовался он примерно 30 млн. лет назад. Такие кратеры должны были возникнуть при ударе о Землю тел астероидного типа с поперечником в 1 км и более. Несомненно, что многие древние метеоритные кратеры разрушены в результате эрозии, что затрудняет их поиски.

Мелкие твердые космические частицы, порождающие при столкновении с Землей в ее атмосфере явление метеоров или «падающих звезд», называются метеорными телами. Их масса составляет доли грамма, и они полностью разрушаются в воздухе на высоте порядка 100 км. Судя по спектру метеоров, метеорные тела по составу напоминают как метеориты, так и «ледяные» ядра комет.

Современная наука с интересом исследует метеоры, так как движение их следов позволяет изучать воздушные движения в стратосфере, а спектры метеоров — состав и плотность воздуха на больших высотах. Все эти данные весьма ценны для теории полетов в верхних слоях земной атмосферы.

Некоторые метеорные тела приходят к нам из пояса астероидов, другие образуются при распаде комет. Так, в 1846 г. комета, открытая чешским астрономом Биелой, разделилась на две части, движущиеся в пространстве по параллельным орбитам. В одно из следующих возвращений кометы Биелы к Солнцу, в ноябре 1872 г. вместо нее на небе наблюдалось множество метеоров — настоящий «звездный дождь». Очевидно, рой мельчайших метеорных тел, породивших это красивое небесное явление, образовали частицы распавшегося кометного ядра.

Астрономам известно множество метеорных потоков. Так очи называют скопления метеорных тел, обращающихся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Вычислено, что орбиты многих метеорных потоков сходны с орбитами известных комет. Следовательно, распадаясь, кометы оставляют за собой «шлейф» из частиц, которые располагаются вдоль всей ее орбиты. После окончательного распада кометы вещество ее ядра постепенно распределяется вдоль орбиты, образуя нечто вроде исполинского «бублика». Постепенно и он распадается на бесчисленное количество отдельных «спорадических» метеорных тел, самостоятельно странствующих по Солнечной системе.

Межпланетное пространство заполнено великим множеством мельчайших твердых пылинок, образующих так называемое Зодиакальное Облако. Это продукты дробления крупных тел Солнечной системы. Если поперечник пылинки меньше 10^-5 см, она «выдувается» давлением солнечных лучей в межзвездное пространство. При больших размерах ее полет тормозится солнечными лучами, и, двигаясь по скручивающейся спирали, она в конце концов падает на Солнце. Кроме этой пылевой «завесы», Солнечная система имеет тончайшую «вуаль» из разреженных межпланетных газов.

В настоящее время все в Солнечной системе постепенно разрушается. Непрерывно теряет вещество и энергию Солнце. Медленно улетучиваются атмосферы планет. Астероиды дробятся при взаимных столкновениях, а метеориты частично разрушают планеты и спутники, врезаясь в их поверхности. В этой картине естественных космических процессов нет ничего созидающего.

Но так не могло быть всегда. Ведь когда-то Солнечная система, включая нашу планету, начала свое существование. Это событие скрыто в глубине времен, и мы знаем о нем очень мало. Во всяком случае, окончательно проблема происхождения Земли пока не решена.