Концепции современного естествознания

К метеорологическим элементам, определяющим погоду, относятся: солнечная радиация, температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, снежный покров, видимость, метель, туманы и т. д.

При сближении теплового и холодного потоков воздуха горизонтальные перепады температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорость ветра возрастает. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные массы сближаются, называют переходными, или фронтальными. На этих фронтах из-за разности температур и давлений возникают обширные вихри, называемые циклонами и антициклонами. Как и на всякое движение относительно Земли, на направление и силу ветра существенное влияние оказывает вращение Земли (силы Кориолиса). Развиваясь, эти вихри охватывают всю тропосферу, достигая десятков тысяч километров в диаметре. Обычно с циклонами связана облачная с осадками погода, с антициклонами -- ясная и малооблачная.

В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, которые способствуют конденсации влаги, в антициклоне -- нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается.

На низких географических широтах преобладают ветры, называемые пассатами и муссонами. Пассаты -- это ветры, возникающие из-за различия атмосферного давления в экваториальной зоне. В Северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в Южном -- юго-восточное. Муссоны -- это сезонные ветры, возникающие из-за разности температур воздуха над материками и океанами. Зимой они дуют с холодных материков к теплым океанам, летом -- со сравнительно холодных океанов на нагретые материки.

В последнее столетие наблюдается глобальное потепление климата Земли. Причиной считается увеличение содержания в атмосфере углекислого газа, что является результатом хозяйственной деятельности людей.

Большинство обитателей Земли принимают свою планету такой, какая она есть. Конечно, люди ворчат на плохую погоду, жалуются на плохие урожаи или стихийные бедствия, но обычно не проводят критического анализа. Когда-то такое отношение было оправданно. Ведь у человека не было выбора -- родившись на Земле, он должен был принимать ее гостеприимство. Теперь, в эпоху освоения космического пространства, уместно спросить: не стоит ли переселиться на другую планету или обосноваться в космическом корабле? Окинем же нашу родную планету критическим взглядом. Посмотрим, в какой степени безопасны мы на Земле, какие опасности таятся в космосе и какие уникальные условия необходимы для поддержания хрупкого творения, которое мы называем жизнью.

Среди планет земной группы Земля достигла высокой степени эволюции благодаря исключительному динамизму развития, широкому диапазону интенсивных природных процессов. Коренные изменения планеты произошли в ее внешней области -- в строении коры, устройстве поверхности, составе атмосферы и климатической обстановке. По сравнению с другими планетами Земля обладает наибольшей плотностью, а следовательно, и большим количеством радиогенной и гравитационной энергии, что обеспечивает ей чрезвычайно активную внутреннюю жизнь.

Разрез земного шара показан на рис. 10.5.

Сейсмическое зондирование земных недр установило факты их дифференциации на концентрические сферы. Это установлено из анализа изменения скорости прохождения сейсмических волн -- продольных (Р) и поперечных (S). В твердом веществе земных недр плотность с глубиной возрастает и соответственно увеличивается скорость прохождения сейсмических волн. Через жидкую среду (внешнее ядро) поперечные волны не проходят, а скорость продольных снижается.

Сила притяжения Земли оказалась достаточной для удержания выделявшихся из ее недр газов и паров воды, из которых сформировались плотная атмосфера и мощная гидросфера.

Земная поверхность как бы надежно защитилась от воздействия космоса (сильного охлаждения, проникновения губительной для всего живого коротковолновой радиации Солнца и космических лучей), а также и от метеоритной бомбардировки. Атмосфера обладает еще одним важным свойством -- парниковым эффектом. Благодаря ему средняя температура земной поверхности поднялась на 38 °С, т. е. вместо равновесной температуры земной поверхности в -23 °С ее действительная температура составляет в настоящее время +15 °С.

Гидросфера, благодаря высокой теплоемкости и низкой теплоотдаче, сильно смягчает температурную контрастность земной поверхности. Этому способствует и облачный покров, распространенный приблизительно на 50% поверхности земного шара.

На Земле мало мест, где максимальные годовые амплитуды температур превышали 100 °С (Центральная Якутия). Колебания остальных мест крайне малы -- на экваторе не более 10 °С, в среднем максимальные колебания можно считать +50 °С до -50 °С. Для функционирования природной среды важно, что в этом температурном интервале гидросфера может находиться во всех трех фазах: жидкой, твердой, газообразной. Воды на Земле так много (причем 95% ее находится в жидкой фазе), что если бы ее равномерно распределить по поверхности, то образовался бы слой толщиной в 2,7 км, т. е. Землю можно считать океанической планетой. В самом деле, 71% поверхности Земли приходится на океаны и моря, и только 29% площади, т. е. в ~ 2,5 раза меньше, занимает суша.

На Земле экзогенные процессы (перемещения и преобразования вещества под влиянием солнечной энергии) протекают в бурном темпе, что оказывает существенное воздействие даже на общую эволюцию планеты, а тем более на ее внешнюю область. Экзогенный фактор на Земле может при соответствующих условиях не только свести на нет морфологический эффект действия эндогенного фактора (перемещения и преобразования под воздействием внутренней энергии), но и полностью нейтрализовать фундаментальный космический фактор -- метеоритную бомбардировку.

10.3 Состав и строение Солнечной системы

Приход наш и уход загадочны, --

их цели все мудрецы Земли

осмыслить не сумели.

Где круга этого начало, где конец,

откуда мы пришли, куда уйдем

отселе?

Омар Хайям

Солнечная система представляет собой комплекс небесных тел, объединенных не только упорядоченностью движения, но и общностью физических свойств. В центре Солнечной системы находится наша дневная звезда -- Солнце. Вокруг него вместе со своими спутниками обращаются 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Их физические характеристики приведены в табл. 10.1 и 10.2.

Меркурий -- ближайшая к Солнцу планета и наименьшая из планет земной группы. Ее диаметр составляет 0,383 диаметра Земли, а масса 0,056 земной массы. Период вращения Меркурия вокруг оси равен 58,65 земных суток. Это близко к 2/3 периода обращения планеты вокруг Солнца (88 земных суток). Значит, одни сутки на Меркурии длятся два меркурианских года. К Земле Меркурий обращен всегда одним и тем же полушарием. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну с множеством ее кратеров, гор и морей. На Меркурии имеются следы сильно разреженной атмосферы, в состав которой входят водород, гелий, кислород, а также аргон и неон. Температура поверхности планеты колеблется от -180 °С до +430 °С. У планеты слабое магнитное поле. Спутников Меркурий не имеет.

Венера -- вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. Видна как "вечерняя звезда"

Таблица 10.1 Физические характеристики планет Солнечной системы

Таблица 10.2 Динамические характеристики планет Солнечной системы

в западной стороне неба сразу после захода Солнца или как "утренняя звезда" -- в восточной стороне неба незадолго до восхода Солнца. Венера -- самое яркое светило на небе после Солнца и Луны. Венера вращается вокруг оси не с запада на восток, как Земля, а в обратном направлении -- с востока на запад. Венера окутана плотной атмосферой, почти целиком состоящая из углекислого газа (97%) с примесью азота, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление -- свыше 90 атм. Температура вблизи поверхности планеты достигает +470 °С. Поверхность планеты сухая и каменистая. На ней замечены обширные равнины, но есть и горы. Их наибольшая высота достигает 12 км. По-видимому, там много и вулканов. Естественных спутников у Венеры нет.

Марс -- четвертая от Солнца планета Солнечной системы. На звездном небе он выглядит как немерцающая точка красного цвета. Марс вдвое меньше Земли по диаметру и в девять раз -- по массе. Период вращения планеты вокруг оси 24 ч. 37 мин. 23 с. Наклон оси вращения Марса к плоскости орбиты почти такой же, как и у Земли (около 25°), поэтому на Марсе есть смена времени года, похожая на земную, хотя продолжительность марсианского года близка к 687 земным суткам. Атмосфера Марса сильно разрежена и состоит в основном из углекислого газа с примесью азота, аргона, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление у поверхности планеты в 160 раз меньше, чем на уровне моря на Земле. В атмосфере Марса часто возникают ветры и даже ураганы, вызывающие пылевые бури. Среднегодовая температура планеты -70 °С. При этих условиях жидкой воды на Марсе быть не может, и она существует только в виде пара, снега или льда. Марс обладает магнитным полем в 500 раз более слабым, чем магнитное поле Земли. На снимках, сделанных во время полетов автоматических межпланетных станций, поверхность планеты выглядит как красная, безводная, усеянная камнями пустыня с изрезанным рельефом. На Марсе есть кратеры, имеются горы, некоторые из них являются потухшими вулканами. Самая крупная во всей Солнечной системе вулканическая гора Олимп возвышается более чем на 20 км над поверхностью планеты. Марс имеет два естественных спутника -- Фобос и Деймос.

Юпитер -- самая крупная планета Солнечной системы и пятая по расстоянию от Солнца. Свое название она получила в честь римского бога неба, громовержца Юпитера. Масса планеты почти в 2,5 раза превышает суммарную массу остальных планет и в 318 раз массу Земли. Диаметр Юпитера больше диаметра Земли в 11,2 раза. Юпитер отстоит от Солнца в 5,2 раза дальше, чем Земля, и затрачивает на один оборот по орбите почти 12 лет. Вокруг своей оси Юпитер вращается быстрее любой другой планеты Солнечной системы. В телескоп планета видна сжатой у полюсов с заметным рядом светлых и темных полос, которые каждый год располагаются по-разному. Юпитер окружен толстой водородно-гелиевой атмосферой, в верхних слоях которой температура около -160 °С. Особенность этой планеты в наличии знаменитого Большого Красного пятна -- огромного газового образования овальной формы и розового цвета, по размерам превышающего размеры земного шара. Предположительно, оно представляет собой грандиозный вращающийся вихрь. Юпитер обладает мощным магнитным полем, а также является источником довольно сильного радиоизлучения. Вокруг Юпитера вращаются 16 спутников, четыре наиболее крупные из которых были открыты в 1610 г. Галилеем. Кроме спутников Юпитер окружен кольцом из мелких камней и пыли. Оно всегда обращено к Земле ребром, поэтому с Земли не видно.

Сатурн -- вторая по величине планета Солнечной системы. Имея массу, равную примерно 95 земным массам, и объем более 758 земных объемов, обладает самой низкой средней плотностью по сравнению с другими планетами. В атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан и другие газы. Вблизи верхней границы облаков температура около -170 °С. Планета обладает магнитным полем и является источником радиоизлучения. Сатурн имеет 17 спутников, самый крупный из них -- Титан. Одно из хорошо известных и интересных небесных образований -- кольца Сатурна.

Уран -- седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. Это первая из планет, открытая с помощью телескопа. Уран относится к числу планет-гигантов. По диаметру он почти в 4 раза, а по массе -- приблизительно в 14,6 раза больше Земли. Расстояние от Урана до Солнца почти в 20 раз больше, чем от Земли до Солнца, и он совершает полный оборот вокруг нашего светила за 84 года. Уран, подобно Венере, вращается вокруг своей оси в направлении с востока на запад (а не с запада на восток, как Земля и другие планеты). Уран сильно сжат у полюсов. Его атмосфера состоит наполовину из водорода. Кроме того, в ней присутствуют метан, аммиак и гелий. Температура на поверхности облачного слоя планеты -- около -215 °С. Уран имеет девять узких непрозрачных газопылевых колец и 16 спутников.

Нептун -- восьмая по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Диаметр Нептуна равен 3,81 диаметра Земли, а масса -- 17,2 земных масс. Планета сильно сжата и быстро вращается вокруг своей оси. Она состоит, по-видимому, из замороженной воды и других распространенных в космосе водородных соединений. 20% массы приходится на соединения кремния и металлов. Планета получает от Солнца в 900 раз меньше тепла, чем Земля. Температура на поверхности Нептуна -200-220 °С Планета окутана плотной водородно-гелиевой атмосферой с примесью метана и аммиака. Нептун имеет 8 спутников и кольца такой же природы, как и у Юпитера.

Плутон -- наименьшая среди известных нам планет Солнечной системы и наиболее далекая от Солнца. Плутон был открыт сравнительно недавно. Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает от него в 1600 раз меньше тепла и света, чем наша планета. Плутон -- это холодный темный и безмолвный мир, поверхность которого покрыта метановым льдом. Температура планеты рекордно низка: -230 °С. Период вращения Плутона равен 6,4 сут., а период обращения -- почти 248 лет. В 1978 г. американский астроном Дж. Кристи открыл у Плутона один спутник, названный Хароном. Он удален от планеты на расстояние в 17 000 км.

Солнечная система обладает рядом важных особенностей. Перечислим основные из них.

1. Подавляющая часть полной массы Солнечной системы принадлежит Солнцу, т. е. центральному телу. На долю Солнца приходится 99,87% массы Солнечной системы, так что сила его притяжения почти полностью управляет движением планет, которые обращаются вокруг него по орбитам, близким к эллипсам. Поэтому Солнце находится почти точно в центре планетных орбит.

Орбиты всех планет и большинства астероидов близки к окружностям и лежат приблизительно в плоскости эклиптики, т. е. в плоскости земной орбиты. Наибольшим наклоном к эклиптике (земной орбите) и наибольшей вытянутостью обладают орбиты Плутона (17°) и Меркурия (7°).

По размерам, массе и общему строению большие планеты делятся на две группы: на планеты типа Земля (или планеты земной группы), расположенные внутри пояса астероидов, и планеты-гиганты (вне его). Плутон занимает особое положение, отличаясь от планет обеих групп.

Планеты типа Земля значительно меньше гигантов по массе и размерам. Они обладают большей средней плотностью вещества и сравнительно медленным вращением.

Планеты-гиганты в десятки и сотни раз массивнее планет земной группы. Они окружены сравнительно плотными протяженными атмосферами. В основном планеты-гиганты состоят из водорода и гелия; доля всех других элементов в них значительно меньше, чем у планет земной группы.

4. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одну сторону, причем направление их осевого вращения, как правило, совпада ет с направлением движения по орбите. Исключение составляют лишь Венера и Уран, которые вращаются в противоположную сторону, причем ось вращения Урана почти лежит в плоскости орбиты.

Перечисленные особенности связаны с теми условиями, в которых происходило формирование планет миллиарды лет тому назад.

Возраст Солнечной системы был определен на основании лабораторного изотопного анализа земных скальных пород, а также метеоритов и доставленных на Землю космическими аппаратами образцов лунного грунта. Оказалось, что наиболее старые из них имеют возраст около 4,5 млрд лет. Возраст Солнца, полученный на основе теории эволюции звезд, оценивается примерно в 5 млрд лет. Поэтому считается, что все планеты сформировались приблизительно в одно время -- 4,5-5 млрд лет тому назад.

Согласно существующим представлениям, вещество, из которого возникли планеты и их спутники, первоначально образовывало массивный диск из холодного газа и пыли, окружавший еще молодое Солнце. Планеты сформировались в результате роста сгущений, возникших под действием сил гравитации в этом вращавшемся диске. Поэтому и сейчас все они, сохраняя движение диска, обращаются вокруг Солнца в одну и ту же сторону. Плотность, температура и химический состав протопланетного вещества были весьма различными во внешних, далеких от Солнца, и внутренних, близких к нему, частях диска. Это привело к сильному различию двух групп планет -- внутренних и внешних.

Две основные причины, определяющие важнейшие свойства каждой планеты, -- это ее расстояние от Солнца и масса. Чем больше среднее расстояние планеты от Солнца, тем меньше энергии от него она получает. По этой причине температура планет быстро падает с увеличением расстояния от Солнца. Напомним, что, в отличие от далеких планет, планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, содержат очень много тугоплавких элементов (кремний, железо и др.). По-видимому, это отражает особенности химического состава того протопланетного газопылевого диска, из вещества которого сформировались планеты: чем дальше от Солнца, тем больше легких газов содержалось в протопланетном диске. Причина этого в том, что на больших расстояниях от Солнца при более низких температурах молекулы легких газов могли намерзать на пылинки, в то время как вблизи Солнца легкие газы нагревались и покидали протопланетный диск.

Масса планеты определяет ее способность удерживать вокруг себя атмосферу. Газ всегда стремится к расширению, и газовые атмосферы удерживаются вокруг планет только благодаря гравитационному притяжению к ним. Но из атмосферы любой планеты непрерывно происходит утечка вещества в межпланетное пространство. Причина этого понятна: тепловое движение молекул газа. Скорость каждой молекулы постоянно меняется из-за столкновений с другими молекулами. Если скорость случайно превысит вторую космическую, то такая молекула навсегда может покинуть разряженные внешние слои атмосферы планеты. Чем меньше масса планет, тем слабее ее гравитационное притяжение и тем быстрее она теряет свою атмосферу, поскольку наиболее "быстрым" молекулам легче покинуть ее. Из физики известно, что средняя скорость теплового движения молекул и атомов пропорциональна, , где Т -- абсолютная температура газа, а m0 -- масса его молекул (или атомов). Поэтому при любой температуре быстрее всего покидают атмосферу молекулы легких газов, имеющие более высокую среднюю скорость. Следовательно, со временем масса атмосферы и ее химический состав должны меняться. В атмосферах планет земной группы осталось очень мало легких газов (водорода и гелия). Меркурий из-за небольшой массы и высокой температуры, обусловленной близостью к Солнцу, практически вовсе лишен атмосферы. Атмосфера Марса из-за слабости его гравитационного поля сильно разряжена, а Луна и спутники планет вообще не смогли удержать вблизи себя газовую оболочку. Исключение составляет массивный и холодный спутник Сатурна -- Титан, имеющий атмосферу, содержащую много достаточно тяжелого газа -- азота, и небольшой спутник Юпитера--Ио. Последний теряет атмосферу непрерывно, но она постоянно пополняется за счет извержения вулканов, которые вместе с выбросом лавы выделяют много газов. По-видимому, и у планет земной группы (в том числе и у Земли) вулканические извержения и выделения газов из недр сыграли решающую роль в образовании атмосфер, когда планеты были еще молодыми.

На твердой поверхности больших планет (особенно не обладающих атмосферой) и их спутников наблюдаются многочисленные кратеры -- результат метеоритной бомбардировки. Она происходит и в наше время. Однако наиболее интенсивной она была миллиарды лет тому назад. Такие тела, как Луна, Меркурий, спутник Юпитера Каллисто и другие, где кратеров очень много и где они мало разрушались, сохранили большую часть своей поверхности в том виде, какой она была миллиарды лет назад. На Венере, Марсе и на некоторых спутниках (частично и на Луне) происходил процесс постепенного исчезновения старых кратеров. Они могли заполняться лавой (на Луне), разрушаться под действием ветра (как, например, на Марсе) или воды (как на Земле). Поэтому изучение поверхностей различных планет и спутников дает возможность узнать о далекой их истории и путях эволюции.

Сильные магнитные поля обнаружены пока у трех планет: Земли, Юпитера и Сатурна. По-видимому, они связаны с существованием электрических токов в расплавленных недрах этих планет. Если планеты земной группы Меркурий, Венера, Земля и Марс имеют относительно большую плотность и состоят из тяжелых элементов, то планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют плотность чуть больше, чем у воды и состоят из легких элементов водорода и гелия. Они имеют мощные протяженные атмосферы, переходящие в жидкий слой поверхности. Например, Юпитер состоит в основном из водорода, 18% по массе приходится на гелий, имеется примесь аммиака NH3 и метана СН4 (болотного газа). Хотя планеты-гиганты холодны и безжизненны, благодаря огромным расстояниям между ними и большим массам он обладает многочисленными семействами спутников. Система Сатурна имеет даже более разительное сходство с Солнечной системой в целом не только потому, что у этой планеты 17 спутников (больше, чем число известных планет), но и потому, что она обладает также большими кольцами -- миниатюрным "поясом астероидов". Кольца состоят из мелких частиц, покрытых льдом и обращающихся вокруг Сатурна в диске, относительная толщина которого по сравнению с его шириной меньше, чем у листа бумаги. Уран и Юпитер также имеют кольца, хотя они много слабее и поэтому их трудно наблюдать. Возможно, они есть и у Нептуна.

Помимо больших планет и их спутников, в состав Солнечной системы входят тысячи малых планет -- астероидов, находящихся в основном между орбитами Марса и Юпитера, где они образуют так называемый пояс астероидов. Кроме того, в межпланетном пространстве по очень вытянутым орбитам движутся твердые ледяные тела, окруженные газовой оболочкой, -- кометы и множество камней и частиц самых различных размеров: метеоры и метеориты (рис. 10.6).

Астероиды. Большая часть астероидов (более пяти тысяч тел размером от одного километра до тысячи километров) движется между орбитами Марса и Юпитера. Орбиты их, как правило, не слишком сильно отличаются от окружностей. Периодические изменения яркости, наблюдаемые у некоторых астероидов, указывают на то, что они обладают неправильной формой, неровной поверхностью и вращаются вокруг своих осей. Поверхности астероидов, как и спутников планет, должны нести следы ударов более мелких тел. Атмосфер у астероидов нет.

Кометы -- эти странные небесные скитальцы вызывали у людей суеверный страх чаще, чем любые другие небесные тела. Большинство комет движется по чрезвычайно вытянутым орбитам и при каждом обороте приближаются к Солнцу лишь на непродолжительное время. В перигелии, при максимальном сближении с Солнцем, их блеск очень сильно возрастает. В это время они столь активны, что теряют заметную долю своего вещества и вокруг их ядра образуется протяженная атмосфера (кома) из газа и мелких пылевых частиц. Под давлением солнечного излучения и выброшенных Солнцем частиц кометный газ и пыль покидают голову кометы, порождая протяженный хвост, а то и несколько хвостов всегда сложной структуры. Вероятно, кометы внесли свой вклад в обогащение вещества Солнечной системы такими легкими летучими составляющими, как углерод и вода, без которых была бы невозможна жизнь на Земле.

10.4 Солнце, звезды и межзвездная среда

К дальним звездам, в небесную

роздымъ

улетали ракеты не раз.

Люди, люди -- высокие звезды,

долететь бы мне только до вас.

Р. Гамзатов

Солнце -- это наша звезда. Изучая Солнце, мы узнаем о многих явлениях и процессах, происходящих на других звездах и недоступных непосредственному наблюдению из-за огромных расстояний, которые отделяют нас от звезд. Радиус Солнца в 109 раз, а объем в 1,3 млн раз, масса в 333 000 раз больше соответственно радиуса, объема и массы Земли.

Энергия, получаемая Землей от Солнца, характеризуется солнечной постоянной. Солнечной постоянной называется величина, определяемая полной энергией, которая падает в 1 с на площадку в 1м2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли и Солнца. За последние 3 млрд лет она не изменилась и составляет 1360 Вт/м2. Значит, полная энергия, излучаемая Солнцем в единицу времени, постоянна. Эта энергия, называемая светимостью (L0) Солнца, т. е. мощность его излучения, составляет L0 = 4 * 1026 Вт.

Существуют различные способы определения температуры Солнца, все они основаны на физических законах, открытых на Земле и действующих во всей доступной наблюдателям части Вселенной. Эти методы дают величину температуры поверхности Солнца 6000 К. При температуре 6000 К вещество находится на Солнце в газообразном состоянии, причем атомы некоторых химических элементов ионизированы. С глубиной температура растет, а вместе с тем увеличивается число ионизированных атомов. Поэтому основное состояние, в котором находится вещество на Солнце, -- это плазма, а Солнце -- это раскаленный плазменный шар.

Отождествление линий в спектре Солнца с линиями в спектрах химических элементов, изучаемых в лабораторных условиях, позволяет определить состав атмосферы Солнца. На Солнце обнаружено более 70 химических элементов. Никаких "неземных" элементов Солнце не содержит. Самые распространенные элементы на Солнце -- водород (около 70% всей массы Солнца) и гелий (более 28%). Гелий ("солнечный газ") был впервые открыт на Солнце и только почти через 30 лет -- на Земле.

Источником энергии Солнца является термоядерный синтез ядер водорода с образованием ядер гелия. Это происходит в ядре Солнца, составляющем четверть его радиуса. Температура в центре Солнца 14 млн К. Перенос энергии, выделяющей при ежесекундном сгорании в ядре Солнца 600 млн т водорода, происходит в зоне лучистого переноса энергии, а затем конвективной зоне. Солнце излучает электромагнитное излучение во всем диапазоне длин волн от -лучей до радиоволн, максимум видимого излучения которой находится на длине волны 5000А°. Видимое излучение Солнца образуется в самом нижнем слое атмосферы Солнца -- фотосфере. Атмосфера состоит также из хромосферы и короны. Кроме излучения от Солнца распространяется поток частиц -- протонов, нейтронов, электронов, называемых солнечным ветром. На расстоянии Земли их скорость составляет 400 км/с. Когда Солнце спокойное, солнечный ветер стабильный, но во время солнечной активности их поток усиливается. Солнечная активность на Солнце проявляется в виде пятен, факелов, вспышек, протуберанцев и других явлений. Она проявляется периодически в среднем через 11 лет. Солнечная активность влияет на земные процессы.

Звезды -- это массивные горячие газовые шары. В них сосредоточено более 95% всего вещества, наблюдаемого в природе. Изучая, как распределены в пространстве звезды и их скопления, ученые исследуют тем самым строение окружающего нас мира, структуру Вселенной. Звезды различаются большим разнообразием размеров, масс, светимостей, цветом, температурой. По массам есть звезды, превосходящие Солнце в 80 раз, но есть и составляющие 0,05 массы Солнца. По светимостям звезды имеют в 100 000 раз большую и столько же раз меньшую светимость. Диапазон поверхностных температур звезд охватывает от 3000 К до 50 000 К. Цвет звезды зависит от температуры. При 3000 К звезда красная, при 6000 К -- желтая, при 10 000 белая, при больших -- голубая. Время существования звезд зависит от массы. Массивные звезды существуют меньше, чем легкие. Диапазон времен существования звезд составляет от 100 млн до сотен миллиардов лет. В звездах произошло и происходит образование большинства химических элементов, из которых состоит вещество окружающего нас мира. Атомы любого вещества на Земле, включая и те, из которых состоим мы сами, когда-то, еще до того как возникла Солнечная система, родились или пребывали в недрах звезд.

Получение спектров звезд и их сравнение со спектрами лабораторных газовых источников сразу же позволили сделать вывод о том, что звезды состоят из известных на Земле химических элементов. В Солнце и звездах были найдены практически все элементы периодической системы элементов Менделеева, кроме неустойчивых изотопов и самых тяжелых атомов. У большинства звезд около 98% массы приходится на водород и гелий -- самые легкие элементы, причем по массе водорода примерно в 2,5 раза больше, чем гелия. На долю всех остальных тяжелых элементов приходится менее 2% массы.

Хотя звезды состоят из знакомых нам химических элементов, звездный газ обладает двумя важными особенностями. Во-первых, если в обычных, "земных" условиях газ состоит из молекул, то в звездах из-за высокой температуры молекулы распадаются (диссоциируют) на отдельные атомы, так что звездный газ атомарный. Лишь во внешних слоях наиболее холодных звезд, где температура не превышает 4000 К, имеются наиболее устойчивые радикалы или молекулы, например CN, СН3, ОН, TiO. Во-вторых, основная масса звездного газа ионизирована. Это также вызвано высокой температурой газа.

Так как звезды заметно не меняют своих размеров, можно считать, что их вещество находится в равновесии: газовое давление внутри звезды само устанавливается как раз таким, чтобы удержать звезду от гравитационного сжатия. Это равновесие устойчиво, в противном случае ни звезд, ни Солнца в природе не существовало бы.

Температура и плотность газа внутри звезд быстро возрастает вглубь. Так, в центре Солнца температура составляет около 14 млн градусов, а плотность газа примерно в 150 раз больше, чем у воды. По существующим оценкам, большинство звезд может светить, не переставая, многие миллиарды лет. Наше Солнце излучает свет уже около 5 млрд лет. Это в несколько раз больше возраста самых древних ископаемых растений.

Откуда звезды черпают излучаемую ими энергию? Основным источником энергии звезд считаются взаимодействие между атомными ядрами. Известно, что при термоядерных реакциях происходит слияние (синтез) легких ядер атомов с образованием более тяжелых ядер других атомов. В недрах звезд происходит взаимодействие между ядрами водорода -- протонами. При температуре 10-30 млн градусов, существующей в центральных областях большинства звезд, средняя скорость движения протонов составляет несколько сотен километров в секунду. Наиболее энергичные протоны, сталкиваясь, взаимодействуют между собой довольно сложным образом. В результате этого взаимодействия четыре протона могут образовать одно ядро атома гелия. Такая реакция сопровождается выделением энергии. Это поддерживает высокую температуру в недрах звезды. Получается, что звезды как бы "подогреваются" из центра. Реакцию превращения водорода в гелий можно представить так:

Так как масса четырех протонов больше массы ядра атома гелия, то этот избыток массы и уносится квантами излучения и нейтрино по соотношению Эйнштейна Е = mc2 = hv. Звезды типа Солнца каждую секунду теряют на излучение массу в миллионы тонн. При этом сотни миллионов тонн водорода ежесекундно превращаются в гелий. У звезд, температура которых в центре существенно выше, чем у Солнца, может происходить синтез более тяжелых элементов из гелия. Эти реакции также сопровождаются выделением энергии, способной поддерживать излучение звезд. Так, в красных гигантах и сверхгигантах, в недрах которых температура превышает сотни миллионов градусов, могут идти реакции слияния ядер гелия, приводящие к образованию ядер углерода и кислорода (из трех и четырех ядер гелия соответственно).

Большая часть углерода и кислорода, существующих в природе, возникла в недрах таких звезд. В звездах путем слияния атомных ядер возникают новые химические элементы, которых, таким образом, в природе становится все больше и больше. Химические элементы, составляющие нашу Землю и все, что на ней существует, в большинстве своем также сформировались в недрах звезд миллиарды лет назад, когда еще не существовало ни Земли, ни Солнца.

Согласно современным представлениям, звезды образуются путем конденсации весьма разряженной межзвездной газопылевой среды. Плотность межзвездной газовой среды ничтожна. Химический состав межзвездного газа довольно хорошо исследован. Он сходен с химическим составом наружных слоев звезд. Преобладают атомы водорода и гелия, атомов металлов сравнительно немного. В довольно заметных количествах присутствуют простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). Возможно, что значительная часть межзвездного газа находится в форме молекулярного водорода. Кроме газа в состав межзвездной среды входит космическая пыль. Размеры таких пылинок составляют 10-4 -10-5 см. Они являются причиной поглощения света в межзвездном пространстве. Космическая пыль, так же как и связанный с ней межзвездный газ, сильно концентрируется к галактической плоскости. Толщина газопылевого слоя составляет всего лишь около 250 пк. Межзвездный газ и пыль смешаны. Для этой среды характерно резко выраженное "клочковатое" распределение. Она существует в виде облаков (в которых плотность раз в 10 больше средней), разделенных областями, где плотность ничтожно мала. Эти газопылевые облака сосредоточены в преимущественно в спиральных ветвях Галактики и участвуют в галактическом вращении. Наиболее плотные из таких облаков наблюдаются как темные или светлые туманности.

В отдельных областях межзвездного пространства газ находится преимущественно в молекулярном состоянии. За последние 30 лет, истекшие после открытия в межзвездной среде радиолинии ОН и Н20 было открыто много других радиолиний межзвездного происхождения, принадлежащих различным молекулам. Полное число обнаруженных таким образом молекул уже превышает 50. Среди них особенно большое значение имеет молекула СО, радиолиния которой наблюдается почти во всех областях межзвездной среды. Довольно неожиданным было обнаружение в таких облаках радиолиний весьма сложных многоатомных молекул, например СН3СОН, CH3CN и др. Это открытие, возможно, имеет отношение к проблеме происхождения жизни во Вселенной.

Сравнительно недавно астрономы получили ряд косвенных доказательств наличия межзвездных магнитных полей, связанных с облаками межзвездного газа и движущихся вместе с ними. Межзвездные магнитные поля играют решающую роль при образовании плотных газопылевых облаков межзвездной среды, из которых конденсируются звезды. Масса межзвездного газа в нашей Галактике близка к миллиарду солнечных масс, что составляет немногим больше 1% от полной массы Галактики, обусловленной в основном звездами. В других звездных системах относительное содержание межзвездного газа меняется в довольно широких пределах. У эллиптических галактик оно очень мало, около 10-4 и даже меньше, в то время как у неправильных звездных систем (типа Магеллановых Облаков) содержание межзвездного газа доходит до 20 и даже 50%. Это обстоятельство тесно связано с вопросом об эволюции звездных систем.

10.5. Галактики

Кругом тот мир, где я кажусь ничем; во мне роятся мысли, все обнять готовые...

Байрон

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть гигантского коллектива звезд и туманностей, которая называется Галактикой. Это скопление звезд мы видим в ясные безлунные ночи как пересекающую небо полосу Млечного Пути. Галактика имеет довольно сложную структуру. В первом, самом грубом приближении мы можем считать, что звезды и туманности, из которых она состоит; заполняют объем, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. В действительности оказывается, что разные типы звезд совершенно по-разному концентрируются к центру Галактики и к ее "экваториальной плоскости". Основная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске, диаметр которого около 100 тыс. световых лет, а толщина около 1600 световых лет. В этом диске насчитывается 200 млрд звезд самых различных типов.

Наша Галактика -- это гигантский звездный остров, в состав которого входит Солнечная система. Галактика имеет спиральную структуру и состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. А такие галактики составляют около 50% всех звездных систем. Диаметр звездного ядра Галактики составляет не менее 4000 световых лет, а его масса равна примерно 5% массы всей Галактики. В состав ядра Галактики входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид -- пульсирующих звезд. Они периодически расширяются и сжимаются. Сжатие наружных слоев вызывает их нагрев. Ядро Галактики не видно в обычных лучах из-за поглощения света пылевыми облаками, но его можно сфотографировать в инфракрасных лучах.

Наше Солнце -- одна из этих звезд, находящаяся на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости (точнее, "всего лишь" на расстоянии около 30 световых лет -- величина достаточно малая по сравнению с толщиной звездного диска). Расстояние от Солнца до ядра Галактики (или ее центра) составляет около 30 тыс. световых лет и 22 000 световых лет от края Галактики. Звездная плотность в Галактике весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра, где, по последним данным, достигает 2 тыс. звезд на кубический парсек, что в 20 тыс. раз больше средней звездной плотности в окрестностях Солнца. Кроме того, звезды имеют тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. В Галактике имеются и структурные детали гораздо больших масштабов. Исследованиями последних лет доказано, что туманности, а также горячие массивные звезды распределены вдоль ветвей спирали. Особенно хорошо спиральная структура видна у других звездных систем -- галактик. Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной к ее экваториальной плоскости. Это вращение не такое, как у твердого тела: различные участки Галактики имеют разные периоды вращения. Так, Солнце и окружающие его в огромной области размерами в несколько сотен световых лет звезды совершают полный оборот за время около 200 млн лет. Так как Солнце вместе с семьей планет существует, по-видимому, около 5 млрд лет, то за время своей эволюции (от рождения из газовой туманности до нынешнего состояния) оно совершило примерно 25 оборотов вокруг оси вращения Галактики. Скорость движения Солнца и соседних с ним звезд по их почти круговым галактическим орбитам достигает 250 км/с. На это регулярное движение вокруг галактического ядра накладываются хаотические, беспорядочные движения звезд. Скорости таких движений значительно меньше -- порядка 10-50 км/с, причем у объектов разных типов они различны. Меньше всего скорости у горячих массивных звезд (6-8 км/с), у звезд солнечного типа они около 20 км/с. Звезды почти никогда не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами в Галактике.

Значительная роль в Галактике принадлежит темной диффузной материи. Плотность диффузных туманностей очень мала, в среднем 10_23г/см3, или несколько атомов водорода на 1 см3. Газовые диффузные туманности образуют в галактической плоскости слой толщиной всего лишь около 1200 световых лет. Они принадлежат к населению, характерному для спиральных ветвей Галактики. Размеры туманностей огромны -- от нескольких световых лет до сотни световых лет. Но ввиду огромной протяженности туманностей их масса весьма велика и составляет несколько сот миллионов солнечных масс. Возможно, часть диффузного вещества была выброшена горячими звездами в ходе их эволюции; происхождение же остального вещества еще неясно. Галактика включает в себя около 100 миллионов диффузных туманностей, состоящих из пыли и межзвездного газа. Общая масса Галактики составляет примерно около 120 миллиардов солнечных масс, или 2,5 1044 г. Если говорить о массе видимого вещества нашей галактики, то примерно 95% его приходится на долю звезд, а около 5% -- на межзвездный газ и пыль. Пространство Галактики пронизано потоками заряженных частиц огромных энергий, а на межзвездный газ действует магнитное поле.

Другие галактики. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики, каждая из которых, подобно нашей, состоит из многих миллиардов звезд. Таким образом, наблюдаемая нами часть Вселенной, называемая Метагалактикой, представляет собой совокупность звездных систем -- галактик, движущихся в огромном пространстве Космоса. Ближайшие к нашей звездной системе галактики -- Магеллановы Облака, хорошо видные на небе Южного полушария как два больших пятна примерно такой же поверхностной яркости, как и Млечный Путь. Расстояние до Магеллановых Облаков "всего лишь" около 200 тыс. световых лет, что вполне сравнимо с общей протяженностью нашей Галактики. Другая "близкая" к нам галактика -- это туманность в созвездии Андромеды. Она видна невооруженным глазом как слабое световое пятнышко. На самом деле это огромный звездный мир, по количеству звезд и полной массе раза в три превышающий нашу Галактику, которая, в свою очередь, является гигантом среди галактик. Многие из галактик удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет. Это означает, что этот свет был излучен такой удаленной галактикой еще задолго до архейского периода геологической истории Земли!

Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, све-тимостям, внешним видом. По внешнему виду галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы. Первоначальной стадией являются галактики неправильной формы. Из них возникают спиральные галактики, имеющие ясно выраженную форму вращения. И, наконец, третьей стадией являются эллиптические галактики, имеющие сфероидальную форму.

Неправильные галактики состоят из значительных масс газопылевой материи и из "молодых" звезд, излучающих большое количество энергии, где отсутствуют ядра. Подобные звезды, существующие и в нашей Галактике, относятся к так называемому "населению I", в отличие от "старых" звезд, которые составляют "население II". Представителей звезд "населения II" в неправильных галактиках не обнаружено. Два больших звездных облака, которые получили название Большое и Малое Магеллановы Облака, относятся к типу неправильных галактик. Они являются спутниками нашей Галактики. Неправильные галактики значительно меньше спиральных и встречаются редко.

Спиральные галактики состоят как из звезд "населения I", так и из звезд "населения II". Здесь имеются четко выраженные сферические подсистемы, составляющие ядро, и плоские подсистемы, образующие спиральные ветви Галактики. Наша Галактика принадлежит к числу спиральных. Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячих звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых туманностей. Галактики излучают различные электромагнитные волны. Такие излучения исходят от нейтрального водорода, а также от ионизированного горячего водорода в светлых туманностях. Нейтрального водорода в них содержится около 10% от массы галактики.

В эллиптических туманностях преобладают звезды "населения II", образующие сферические подсистемы. Спиральные ветви здесь уже отсутствуют, и соответственно очень редко встречаются звезды "населения I". Эллиптические галактики можно рассматривать как системы, которые израсходовали основную массу диффузной материи благодаря образованию из нее звезд и находятся на завершающей стадии эволюции. Они вращаются крайне медленно и потому слабо сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик. По виду эллиптические галактики похожи на шаровые звездные скопления. Они не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни диффузных туманностей.

Итак, развитие галактик, по-видимому, начинается с огромного, медленно вращающегося протооблака газа и пыли, которое по мере сжатия начинает вращаться с увеличивающейся скоростью. В процессе сжатия происходит образование звезд различных масс и светимостей. Постепенно в неправильной галактике возникают ядро и звездные спиральные ветви, имеющие центральную перемычку из темного диффузного вещества. В начале ядро Галактики относительно невелико по своей массе, но с развитием системы оно увеличивается, так что постепенно спиральная галактика переходит в эллиптическую. В эллиптической галактике темное диффузное вещество присутствует уже в относительно небольшом количестве, так как оно уже пошло на образование звезд.

Галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Например, нашу Галактику, Магеллановы Облака и еще около 20 небольших спутников нашей Галактики можно рассматривать как кратную систему. Согласно современным представлениям, для Вселенной характерна ячеистая (иногда говорят, сетчатая или пористая) структура.

Самые далекие из наблюдаемых объектов находятся от нас на расстоянии около 10 миллиардов световых лет. До ближайших звезд нашей Галактики -- несколько световых лет. Промежуточные расстояния можно описать следующим образом. Диаметр нашей Галактики -- почти сто тысяч световых лет. Эта величина в несколько десятков тысяч раз превышает расстояние до ближайших звезд, наша Галактика не принадлежит к числу маленьких. Размер среднего скопления галактик еще в сто раз больше, он может превышать десяток миллионов световых лет. Размеры наибольших различимых деталей в распределении галактик, типа нитей и пустот, еще в десятки раз больше. Но все равно размеры этих деталей в 50-100 раз меньше размеров всей наблюдаемой части Вселенной.

Есть данные о возможном наличии во Вселенной несветящегося вещества, так называемой скрытой массы. Ее средняя плотность может раз в десять превышать среднюю плотность светящегося вещества, сосредоточенного в звездах и галактиках. В какой форме реализована эта скрытая масса, пока неизвестно.

Наблюдательный факт грандиозного значения состоит в том, что система галактик не является статичной, а расширяется. Конечно, отдельные галактики и компактные скопления образуют стабильные гравитационно связанные системы и не расширяются. Закон расширения устанавливается наиболее четко для системы скоплений галактик. Обычно рассматривают ярчайшие члены скоплений, расположенные, как правило, в центрах скоплений. Из огромного числа наблюдений вытекает, что для любой пары таких объектов скорость их удаления друг от друга пропорциональна расстоянию между ними.

Такой простой закон применим по крайней мере к галактикам, для которых входящая в это соотношение скорость меньше скорости света. Коэффициент пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием между ними называется параметром Хаббла. Обратная величина имеет размеренность времени, ее-то и называют возрастом Вселенной. Такое название обусловлено тем, что, разлетаясь с постоянной относительной скоростью, любая пара объектов успела бы за это время увеличить взаимное расстояние от нуля до наблюдаемого сейчас значения. По современным данным, возраст Вселенной равен 10-20 миллиардам лет.

Известны независимые оценки возраста отдельных астрономических систем: Солнечной системы, звезд, звездных скоплений, галактик. Эти оценки основаны на данных об относительном содержании различных химических элементов и на теории звездной эволюции. Возраст Солнечной системы оценивается в 5 миллиардов лет, возраст старейших шаровых звездных скоплений и, косвенно, галактик 11-13 миллиардов лет.

При расширении средняя плотность вещества падает, следовательно, в догалактическую эпоху оно было более плотным и горячим. Можно с уверенностью сказать, что 10-20 миллиардов лет назад Вселенная была совершенно не похожа на ту, которую мы сейчас наблюдаем. Этот вывод убедительно подтверждается существованием так называемого реликтового излучения, открытого в 1965 г. с помощью радиотелескопов. От излучения изолированных объектов оно отличается тем, что приходит не от отдельных источников, а со всех направлений, равномерно заполняя всю небесную сферу. Его температура около трех градусов по абсолютной шкале.

Еще одна группа наблюдательных сведений, входящая важной составной частью в наши представления о современной и ранней Вселенной, касается химического состава окружающего нас вещества. Самым распространенным элементом является водород. На его долю приходится около 75% всей массы вещества.

Почти все остальное -- на долю гелия. Многочисленные легкие и тяжелые элементы, встречающиеся в природе, представлены лишь долями процента. Все вместе они едва ли дают 2% вклада в общую массу вещества. С этой точки зрения планеты, построенные из тяжелых элементов, и жизнь на них являются чрезвычайно большой редкостью.

Элементы от углерода до железа возникают в недрах звезд на спокойной стадии их эволюции как продукт термоядерных реакций. Более тяжелые элементы образуются во взрывных процессах типа вспышек сверхновых звезд. В результате взрывов массивных звезд, быстро заканчивающих свою эволюцию, разнообразные химические элементы попадают в межзвездный газ. Гелий и некоторые другие легкие элементы имеют дозвез-дное происхождение.

Исторически представление о нестационарности Вселенной было впервые введено нашим соотечественником А. А. Фридманом еще до экспериментального доказательства явления "разбегания" галактик. В своих работах А. А. Фридман исходил из простейших предположений об однородности и изотропности непрерывного распределения вещества. Он использовал уравнение релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна и доказал, что соответствующие решения обязательно зависят от времени. В зависимости от начальных условий оно может либо расширяться с замедлением, либо сжиматься. Окончательная судьба расширяющейся гравитирующей системы зависит от того, достаточно ли велика средняя плотность вещества, чтобы силы тяготения затормозили расширение и в дальнейшем перевели расширение в сжатие. Если средняя плотность вещества больше некоторого значения, называемого критическим, то расширение сменится сжатием, в противном случае оно будет продолжаться неограниченно.