Макромир. Солнечная система

Лекция

Макромир. Солнечная система

Среди разнообразных классификаций звезд имеется и такая: по скорости вращения звезды вокруг своей оси. Для звезд, вплоть до класса F5, характерно быстрое вращение, а звезды последующих классов вращаются примерно как наше Солнце. Если бы все планеты Солнечной системы упали на Солнце, то, согласно закону сохранения момента количества движения, Солнце закрутилось бы в 50 раз быстрее - так, как и быстровращающиеся звезды. Это наводит на мысль об образовании планетных систем в процессе эволюции звезд: более горячая и мощно излучающая звезда в какой-то момент сбрасывает в окружающее пространство часть своего вещества (это и будут впоследствии планеты), сама замедляет свое вращение и продвигается вдоль Главной последовательности в ту область, где находится Солнце. При отделении вещества от вращающейся звезды общее магнитное поле тормозит вращение звезды, а диск отделяющегося вещества постепенно отодвигается от ее поверхности. Получается, что примерно 20% звезд имеют планетные системы. Вещество первичного газово-пылевого облака можно разделить на три группы:

- породы - силикаты, окислы металлов, кремний, железо, никель, (температуры плавления порядка нескольких тысяч градусов);

- жидкости и льды - соединения углерода, водорода, азота и кислорода (температуры кипения порядка сотен градусов);

- собственно газы (H2, He, Ne, Ar) в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Вблизи Солнца расположены каменистые вещества, далее появляются льды, еще дальше - замерзшие метан и аммиак. Различают четыре внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и четыре внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Для внутренних планет характерны радиоактивные процессы, протекающие в недрах. Это приводит к плавлению вещества ядра (как правило, железа). Газы, выделяющиеся в процессе эволюции планеты, могут быть удержаны ею лишь в случае, если масса планеты достаточно велика. Так, Меркурий полностью, а Марс в большой степени не удержали свои атмосферы. Внешние же планеты-гиганты обладают толстыми атмосферами (фактически даже состоят из бездонных атмосфер). За Нептуном находится еще одна маленькая планета - Плутон, видимо «сбежавшая» луна Нептуна.

Между внутренней и внешней группами планет находится пояс астероидов - обломков различного размера от метров до сотен километров в поперечнике. Часть ученых считает их остатками протопланетного вещества, другая часть - остатками разрушившейся планеты Фаэтон. За пределами собственно планетной системы находится облако Оорта из многочисленных сгустков замерзшего газа и пыли. Выбитые гравитационными возмущениями из этого облака протопланетной материи сгустки превращаются в ядра комет, посещающих внутренний мир планетной системы. Кометы двигаются по гораздо более вытянутым орбитам, чем планеты (а иногда и по параболам и гиперболам - такие, один раз посетив Солнце, оказываются выброшенными из системы гравитационными возмущениями. Среди последних - ярчайшая в ХХ в. комета Хэйла-Боппа, которая была хорошо видна весной 1997 года). Эти орбиты часто расположены не в плоскости орбит всех остальных планет. Лед кометного ядра испаряется с поверхности при попадании в зону действия солнечного излучения, в результате чего комета приобретает хвост из ионизированного газа, направленный от Солнца. Из рассеивающейся с ядра пыли образуется пылевой хвост кометы. Ядра комет представляют опасность в случае столкновения с планетами. Так, падение 14-километрового гантелеобразного ядра кометы Галлея на Землю вызвало бы испарение части Мирового Океана. Недаром кометы получили среди журналистов зловещее название - «Молот Люцифера». Возможно, что именно они вызвали целый ряд иных глобальных катастроф на Земле и испещрили кратерами практически все тела Солнечной системы. Ядром небольшой кометы мог быть знаменитый Тунгусский метеорит. Упади он на 4 часа раньше - и в 1908 году с карт исчез бы Санкт-Петербург. В 1994 году астрономам удалось наблюдать уникальное явление - падение кометы Шумейкера-Леви на Юпитер. Распавшиеся, израсходовавшие газовую составляющую кометы, превращаются в метеорные потоки, украшающие ночное небо «звездным дождем»

Меркурий - маленькая планета, величиной примерно с Луну (диаметр 4878 км). Как показали фотоснимки зонда «Маринер-10» на Луну похож он и внешне - поверхность густо испещрена кратерами. Похожая на лунное Море Дождей котловина Калорис образовалась при столкновении Меркурия с гигантским космическим телом. Температура на поверхности достигает в подсолнечной точке +430⁰С. Это значит, что на Меркурии можно встретить озера расплавленного олова или свинца. Меркурий - самое плотное тело Солнечной системы. На этой планете, несомненно, имеются огромные залежи тяжелых элементов с большой атомной массой. Основной же составляющей (не менее 60 %) является железо. Несмотря на это магнитное поле очень слабо ввиду малой скорости вращения (58,6 суток). По некоторым гипотезам Меркурий представляет собой «сбежавший» к Солнцу спутник Венеры, в пользу этого будто бы свидетельствует большой наклон и вытянутость орбиты.

Венера обращается вокруг оси в противоположном всем остальным планетам направлении, что тоже может свидетельствовать об утере спутника в далеком прошлом в результате гравитационного катаклизма. Сутки на Венере длятся 117 земных дней. Она обладает плотной атмосферой из углекислого газа, полной облаков, представляющих собой туман из концентрированной серной кислоты, в атмосфере наблюдаются мощные грозовые разряды. Серия космических зондов «Венера», «Маринер» и «Пионер-Венера» показали, что атмосфера стремительно движется, и скорость ветра нарастает от 3,5 м/с на поверхности до 100 м/с вдали от нее. Давление у поверхности достигает 90 атм., а температура +475⁰С (выше, чем на раскаленном Меркурии!), что объясняется парниковым эффектом. Поверхность представляет собой в основном каменистую лавовую равнину под низким ярко-оранжевым небом. Радиокартирование поверхности с околовенерианской орбиты показало наличие крупных плато, разломов и групп огромных щитовых вулканов, а так же больших ударных метеоритных кратеров. Самые высокие горы на Венере достигают 12 км. Магнитное поле отсутствует.

Земля - следующая по счету. О самой планете позже, но ее спутнику - Луне - необходимо уделить некоторое внимание. Этот черно-белый мир, покрытый кратерами и застывшими лавовыми морями далеко не мертв. Установлена слабая вулканическая и сейсмическая активность Луны, далеко не все кратеры - следы метеорных ударов, часть из них - вулканические жерла. Что касается метеоритных кратеров, большинство из них образовалось 3,5 миллиарда лет назад. В то же время самый яркий кратер Тихо возник не более 110 млн. лет назад. Несмотря на кажущуюся неровность, наш спутник редко имеет уклоны поверхности, превышающие 13⁰. Луна - пока единственное внеземное тело, на которое ступала нога человека (а точнее - 22 человек, исследовавших спутник Земли по программе «Аполлон», ходивших и даже ездивших по Луне на электромобиле).

Марс издавна привлекал внимание и ученых и писателей-фантастов. Именно на него возлагались основные надежды в поисках братьев по разуму, строителей легендарных «каналов». Космические аппараты «Марс», «Маринер», «Викинг», «Фобос», «Одиссей», «Бигль» позволили узнать о Марсе многое, рассеяли первичный ореол таинственности, но ответили пока далеко не на все существовавшие вопросы, поставив сотни новых. Марсианские сутки на 40 минут длиннее земных. Разреженная атмосфера из углекислого газа (давление около 0,01 земной атмосферы) имеет у поверхности температуры от +22⁰С до -103⁰С. У полюсов имеются полярные шапки из сухого и водяного льда, растущие зимой и тающие летом. Марс - это бескрайние красноватые каменистые и песчаные равнины, раскинувшиеся под розовым куполом неба с редкими облаками. Из космоса они предстают как покрытая кратерами, горами и котловинами поверхность планеты. На этой поверхности обнаружены дюны, барханы, огромные геологические разломы, следы мощных водных потоков, похожие на пересохшие речные русла, огромные щитовые вулканы, крупнейший из которых - Никс Олимпика - достигает 20 км в высоту. Некогда Марс, вероятно, был цветущим миром, но удары нескольких крупных астероидов положили этому конец, сорвав его атмосферу и иссушив океаны и водные артерии. Дно некоторых кратеров, судя по снимкам с орбиты, имеет зеленоватый оттенок. Быть может, это следы сохранившейся после катастрофы жизни. Под поверхностью лежит связывающая огромные массы пресной воды криосфера Марса. Иногда поднимаются глобальные пылевые бури, на многие месяцы замутняющие атмосферу. Марсианский грунт, как установила станция «Викинг», содержит до 7% магнитного материала. Биологические эксперименты, выполненные в рамках программы «Викинг», не обнаружили явных следов жизни на Марсе, однако, этот вопрос нельзя считать решенным. Марс станет целью пилотируемой экспедиции в течение ближайшего десятилетия, к которой Россия начала активную подготовку. Вокруг Марса вращаются два картофелеобразных по форме мелких спутника - Фобос и Деймос. Вероятно, это захваченные гравитационным полем Марса астероиды.

Юпитер на 82% состоит из водорода и на 17% из гелия, что сходно с составом звезд. Недаром его иногда называют несостоявшейся звездой: если бы возросла его масса и усилилось гравитационное сжатие, в недрах вспыхнула бы термоядерная реакция. Такое развитие событий писатель А. Кларк обыграл в романе «Одиссея-2010». Диаметр Юпитера более чем в 11 раз превосходит диаметр Земли, но сутки длятся всего 9 час. 55 мин. Гигантская скорость вращения приводит к тому, что Юпитер сильно сплюснут у полюсов, а зоны высокого давления перемежаются с зонами низкого давления и расположены в широтном направлении, что предстает в виде белых и желто-рыжих полос). Окраска говорит о протекании фотохимических реакций. Особенно выделяется Большое Красное Пятно - гигантская атмосферная турбулентность, ураган, поперечником в три земных диаметра. Разряды атмосферного электричества на Юпитере так сильны, что отмечены приемниками на Земле, а размеры молний, судя по снимкам зонда «Вояджер», сопоставимы с земным диаметром. В лаборатории газовая смесь из аммиака, метана, водяного пара и водорода (аналог верхних слоев атмосферы Юпитера) была подвергнута действию искровых разрядов в течение продолжительного времени. В итоге в ней были обнаружены следы аминокислот. Некоторые ученые считают это свидетельством в пользу возникновения примитивной жизни в юпитерианских облаках и полужидкой атмосфере. Давление в недрах Юпитера достигает 3 млн. атм., что приводит к переходу водорода в металлическое состояние. Это, в свою очередь, обусловливает наличие у Юпитера очень мощного магнитного поля. Но намного вероятней наличие жизни на одном из четырех галилеевских спутников Юпитера - Европе. Это самое гладкое тело в Солнечной системе. Единственный изъян его ледяной поверхности - «ледорадо» - сеть трещин, заполненных рыжей массой (вероятно с присутствием силикатов). Под корой из льда простирается огромный океан, условия в котором вполне сходны с вечно темными земными глубинами морей. Четыре самых крупных спутника Юпитера - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, видные с Земли в хороший бинокль, преподнесли при взгляде из космоса немало сюрпризов. Ганимед оказался тектонически активным телом со сложнейшей геологией. На Ио, разогретой приливными силами Юпитера, лежат озера расплавленной серы и извергаются вулканы. Каллисто необычайно густо испещрена яркими белыми «оспинами» метеоритных кратеров. Ближайший к Юпитеру спутник - Амальтея - оказался по данным аппарата «Галилей» скоплением ржавых камней и льдин, удерживаемых в куче благодаря взаимному притяжению. Всего у Юпитера 16 спутников, но большинство из них напоминает астероиды, попавшие в гравитационный плен газового гиганта. Наконец, у Юпитера имеется два кольца, каменно-ледяное, предсказанное в 1960-х гг. российским астрономом Всехсвятским, и газовое, висящее на орбите спутника Европа.

Сатурн известен, прежде всего, своими кольцами (хотя кольца имеются, как установлено астрономами и зондами серии «Вояджер», имеются у всех внешних планет, исключая Плутон). Кольца Сатурна представляют собой тонкий прерывистый слой обломков разного размера, вращающихся вокруг планеты. Снимки с борта «Вояджеров» показали, что колец не 6-7, а почти 1000, они тонкие и напоминают бороздки на грампластинке. Ширина некоторых меняется от 25 до 90 км, а в одном случае три кольца оказались даже сплетенными в жгут! Абсолютно достоверных объяснений с точки зрения небесной механики эти явления пока не получили - ощущается нехватка информации. Мощной электростатикой колец могут объясняться радиальные потемнения над ними - спицы. Бурная атмосфера гиганта-кольценосца почти не уступает юпитерианской, в ней имеется даже вихрь-аналог Красного Пятна. Из 17 спутников Сатурна наиболее известен Титан, имеющий диаметр 4940 км и покрытый густой азотной атмосферой. Оранжевые облака столь плотны, что поверхность увидеть пока не удалось. На ней могут существовать озера из жидких углеводородов. Давление у поверхности достигает 1,5 атмосфер, температура около -150⁰С - близ этой точки метан может существовать в твердом, жидком и газообразном состоянии. Таким образом, на Титане, вероятно, можно наблюдать метановые дожди. Основная часть спутников Сатурна - Мимас, Рея, Тетис, Энцелад, Диона, Япет - это ледяные шары с примесью силикатов, покрытые кратерами, еще более мелкие спутники имеют неправильную форму и подобны астероидам и ядрам комет.

Уран, как и Сатурн с Юпитером, тоже представляет собой газовый (водородно-гелиевый) быстро вращающийся шар и также обладает системой колец, только довольно тонких и почти черных, а значит плохо видимых в отраженном свете. От других планет он отличается тем, что ось его вращения расположена почти в плоскости орбиты. 15 спутников Урана различны по величине, наиболее крупные из них - Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон (их диаметр превышает 1000 км). Меньшая по размерам Миранда (472 км) признана космическим телом с наиболее сложной для понимания геологической историей. Имена остальных - Пэк, Корделия, Офелия, Бьянка, Крессида, Дездемона, Джульетта, Порция, Розалинда, Белинда - неплохая компания персонажей Шекспира.

Нептун расположен так далеко от Солнца, что обнаружить его в ходе планомерных наблюдений не было возможности. Адамс и Леверье, предположили, что на движение Урана оказывает влияние неизвестная планета, и вычислили ее предполагаемые координаты, основываясь на небесной механике Ньютона. Леверье написал письмо с точными координатами предполагаемой планеты немецкому астроному Галле. В ту же ночь Галле обнаружил ее в указанном месте. Долгое время о Нептуне и его спутниках (считалось, что их два - Тритон и Нереида) было известно очень мало. Лишь пролет зонда «Вояджер-2» в 1989 г. за несколько дней поведал о системе Нептуна больше, чем десятилетия астрономических наблюдений. Насыщенно-голубая облачная поверхность бурной атмосферы Нептуна (ветры до 1120 км/ч!) охлаждена до -213⁰С, в ней, как и на других планетах-гигантах, курсирует устойчивый вихрь. Он имеет белый цвет, и получил условное название «скутер». Подтвердилась и другая закономерность - Нептун оказался окруженным системой колец, правда еще более скудной, чем у Урана. Спутников у Нептуна оказалось 8 - астероидоподобных «новичков» с диаметрами от 54 до 400 км окрестили: Наяда, Таласса, Деспина, Галатея, Ларисса и Протеус. Наибольший сюрприз принес Тритон (диаметр 2705 км) - самое холодное тело Солнечной системы (-240⁰С). Он покрыт водным океаном глубиной 150 км, защищенным от космического холода ледяной корой, покрытой редкими кратерами и разломами, а так же разреженной азотно-метановой атмосферой с легкой облачной дымкой. Полярная шапка Тритона состоит из азотного инея, метанового и водяного льда, местами имеется слой конденсатов углеводородов мощностью до 6 м. В ее районе в небо Тритона бьют гигантские газовые гейзеры высотой до 9 км.

Плутон гораздо меньше четырех внешних планет-гигантов. По одной из гипотез предположительно сошел с орбиты вокруг Нептуна, где он был спутником, и стал самостоятельной планетой (сильно наклоненная орбита, местами заходящая внутрь орбиты Нептуна). По другим гипотезам это вполне самостоятельное тело. Его диаметр около 3000 км, а вокруг вращается несколько меньший по размерам спутник Харон. Несомненно, Плутон - холодный, безжизненный и негостеприимный мир, с которого Солнце можно наблюдать уже в виде очень яркой звезды.