Солнечная система
Что же представляет собой наша солнечная система? Центром солнечной системы является Солнце. Самая близкая к Солнцу из 9 больших планет солнечной системы — планета Меркурий. Она расположена от него в среднем на расстоянии 58 млн. км. Для сравнения напомним, что окружность Земли по экватору равна 40 тыс. км.
Учёные установили, что Меркурий не имеет ни воды, ни атмосферы. Он по объёму в 15 раз меньше Земли и обращён к Солнцу всегда одной стороной, температура на которой достигает 400°. На противоположной Солнцу стороне царят вечный мрак и холод.
На расстоянии примерно 108 млн. км от Солнца движется вокруг него другая планета — Венера, по своим размерам почти равная Земле. Она окружена плотной атмосферой и густым слоем облаков, поэтому поверхность её практически недоступна наблюдению. В атмосфере Венеры обнаружены большие количества углекислого газа. Тепла от Солнца планета получает в два с лишним раза больше, чем Земля. Как и Меркурий, Венера не имеет спутников.
Затем идёт наша Земля. Она обращается вокруг Солнца со скоростью 30 км в секунду, удалена от него на расстояние 149,5 млн. км. Если самый быстрый кругосветный перелёт на Земле был совершён в 5 суток, то до Солнца с такой же скоростью пришлось бы лететь почти 50 лет.
По данным советского учёного Ф. Н. Красовского, наибольший диаметр Земли равен 12 756 км 490 м, а наименьший 12 713 км 726 м.
Земной шар окружён атмосферой, высота которой превышает 1000 км. Атмосфера защищает Землю как от чрезмерного нагрева солнечными лучами, так и от холода космического пространства.
Земля имеет одного спутника — Луну.
Луна находится от Земли в среднем на расстоянии 385 тыс. км и обращена к ней всегда одной и той же стороной. Поперечник её составляет около 3500 км; это почти в 4 раза меньше диаметра Земли. Как день, так и ночь длятся на Луне более 350 земных часов. Луна, как и Земля, не самосветящееся тело, она освещается солнечным светом. Жизни на нашем спутнике нет, так как Луна лишена влаги и воздуха. О том, что на Луне нет или почти нет атмосферы, говорит тот факт, что мы видим исключительно ясно все образования на её поверхности — горные цепи, плоскогорья, долины и большое число кратеров, так называемых «лунных цирков» (рис. 4).
Рис. 4. Фотография Луны. Видны «лунные цирки» — кратеры.
«Лунные цирки» — это углубления, окружённые высокими горами правильной кольцеобразной формы. Диаметр «цирков» различен: от 200 км до нескольких сотен метров. Многие учёные считают, что «лунные цирки» — это следы когда-то действовавших на Луне грандиозных вулканических процессов.
Иногда Солнце, Луна и Земля располагаются на одной прямой линии; тогда происходят солнечные или лунные затмения. Во время солнечных затмений создаются наиболее благоприятные условия для изучения верхних слоев раскалённой атмосферы Солнца (рис. 5).
Рис. 5. Солнечная корона — лучистое сияние, окружающее Солнце во время затмения.
Ближайшее полное солнечное затмение, видимое на территории нашей страны, произойдёт 15 февраля 1961 года.
Планеты, находящиеся от Солнца дальше, чем Земля, называются внешними. Ближайшая внешняя планета, расположенная на расстоянии 228 млн. км от Солнца, — Марс. Это одна из самых интересных планет. Он обращается вокруг своей оси лишь немного медленнее Земли. На Марсе есть атмосфера, но менее плотная, чем на Земле. Это открытие было сделано впервые Г. А. Тиховым в Пулково. В ней обнаружено присутствие водяных паров и кислорода. Иногда над поверхностью планеты видны и слабые облака.
Около полюсов Марса астрономы наблюдают белые пятна — так называемые «полярные шапки», очень похожие на полярные снеговые и ледяные покровы на Земле. С наступлением лета в соответствующем полушарии Марса эти пятна, так же как и на Земле, уменьшаются, тают, а иногда и совсем пропадают. Воды на планете немного, там нет, по-видимому, больших водоёмов. Вокруг Марса обращаются два маленьких спутника. Поверхность Марса ровная и, вероятно, покрыта мелкой пылью; гор, подобных земным, на планете нет.
В последнее время важные исследования Марса были проведены профессором Н. П. Барабашевым на обсерватории Харьковского государственного университета и профессором Г. А. Тиховым на обсерватории Академии наук Казахской ССР в г. Алма-Ате.
Марс получает от Солнца в два с лишним раза меньше тепла, чем Земля, причём сильно разреженная атмосфера планеты плохо его сохраняет. Г. А. Тихов, изучающий поверхность Марса уже около 50 лет, считает, что на планете существует растительная жизнь. Растительность на Марсе, из-за иной способности поглощения и отражения света, имеет синеватый цвет. Она низкоросла и стелется по поверхности, как некоторые наши травы, кустарники, мхи и лишайники.
В пространстве между орбитами Марса и следующей за ним планеты Юпитера (а также в других частях солнечной системы) движется огромное количество мелких планеток. Их в астрономии называют малыми планетами или астероидами. В настоящее время открыто уже свыше 1600 астероидов. Диаметр открытых астероидов составляет от 800 км до нескольких сотен метров. Несомненно, имеется множество астероидов ещё меньших размеров. Можно предполагать, что большинство астероидов имеет неправильную, обломочную форму.
Юпитер отстоит от Солнца на расстоянии свыше 750 млн. км. Это самая большая планета нашей солнечной системы. Она имеет 12 известных сейчас спутников. Диаметр Юпитера в 11 раз больше земного. На диске планеты хорошо заметны тёмные полосы и пятна. Атмосфера Юпитера состоит в основном из аммиака и метана. Один оборот вокруг своей оси он делает приблизительно за 10 часов.
Средняя плотность Юпитера всего в полтора раза больше плотности воды. Советские астрономы В. Г. Фесенков, А. Г. Масевич и Н. А. Козырев, изучая внутреннее строение Юпитера, приходят к заключению, что он на 60–80 % должен состоять из водорода. Внутри планеты должна сохраняться высокая температура в сто тысяч или более градусов.
Почти вдвое дальше от Солнца, чем Юпитер, расположен другой гигант солнечной системы — Сатурн. Он в 750 раз превышает по объёму Землю. Плотность его в полтора раза меньше плотности воды. Сатурн, как и Юпитер, всегда окутан сплошным покровом облаков. Время его оборота вокруг оси приблизительно 10 часов 15 минут.
Замечательной особенностью Сатурна является его кольцо, которое опоясывает планету по экватору. Знаменитый русский математик С. В. Ковалевская ещё в XIX веке теоретически установила, что кольцо Сатурна состоит из отдельных частиц. Это предположение было подтверждено наблюдениями. Спектральный анализ света, отражаемого кольцом Сатурна, показал, что различные части кольца движутся с разной угловой скоростью, а это возможно лишь в том случае, если кольцо не является сплошным твёрдым телом, а состоит из отдельных камней; каждый камень обращается вокруг Сатурна как самостоятельный спутник.
Планеты Уран и Нептун очень похожи друг на друга по размерам, массе и плотности. Объём их приблизительно в 60 раз больше земного. На обеих планетах очень холодно. Так, температура Урана составляет около 160° ниже нуля. Время обращения Урана вокруг оси — 10 час. 40 мин., Нептуна — 15 час. От Солнца эти планеты находятся на колоссальных расстояниях: Уран в 2800 млн. км, Нептун в 4500 млн. км.
Самой удалённой от Солнца планетой является Плутон. Он расположен почти в 6000 млн. км от Солнца. Эта планета была открыта в 1930 году и ещё мало изучена. Известно лишь, что масса Плутона меньше или равна массе Земли. На Плутоне вследствие его удалённости от Солнца царит страшный холод — температура там около 230° ниже нуля.
Кроме девяти больших и множества малых планет, действительное число которых, по некоторым предположениям, не менее 40 000, в состав солнечной системы входят кометы: их известно сейчас более 2000.
Яркие кометы издавна производили огромное впечатление на людей. Упоминание о них встречается в древних летописях разных народов.
В китайских летописях, например, отмечается, что перед рождением императора Та-Ю мать его видела странствующее светило замечательного вида. Греческий историк Диодор Сицилийский пишет о комете 344 года до н. э.: «Перед походом Тимолеона из Коринфа против Сицилии появилось доброе предзнаменование его успехов и будущего величия. Горящий факел появился на небе и целыми ночами стоял перед флотом в направлении Сицилии». Есть упоминание о кометах и в русских летописях. Так, например, о комете 1066 года в летописи сказано: «В си же времена бысть знамение на западе звезда превелика, лучи имущи аки кровавы, восходящи с вечера по заходе солнечном и пребысть за 7 дней; се же проявление не на добро, по сем бо бяше усобица много и нашествие поганых на русскую землю, се бо звезда бе аки кровавы, проявляющи кровопролитие».
Изучать кометы начали позже других небесных тел; для этого нужны были особые методы и инструменты.
Ньютон впервые вычислил орбиту одной из комет; оказалось, что эта орбита значительно более вытянута, чем планетные.
В начале XVIII века английский астроном Галлей сделал важное открытие. Он установил, что яркие кометы, наблюдавшиеся в 1531, 1607 и 1682 годах, двигались вокруг Солнца по одной и той же орбите. Отсюда он заключил, что в эти годы наблюдались не различные кометы, а одна и та же комета, которая периодически возвращается к Солнцу. Галлей предсказал её следующее появление на 1759 год, что блестяще подтвердилось. Эта комета, названная кометой Галлея, наблюдалась также в 1835 и 1910 годах и вновь появится около 1985 года.
Установлено, что туманная оболочка головы и хвост кометы (см. рис. 6) состоят из чрезвычайно разреженных газов (главным образом циана и окиси углерода) и мельчайших пылинок. Хотя хвосты комет иногда имеют длину в десятки и сотни миллионов километров, масса их в миллионы раз меньше масс планет.
Рис. 6. Комета.
Основной частью кометы является её ядро, состоящее из твёрдых глыб диаметром от десятков до сотен метров, а также газов, находящихся в твёрдом состоянии и покрывающих поверхность камней.
Когда комета приближается к Солнцу, из её ядра с большими скоростями вырываются молекулы газа и мельчайшая пыль, которые создают туманную оболочку головы кометы.
Под влиянием солнечного света газы начинают светиться; пыль освещается солнечными лучами. Чем ближе к Солнцу, тем сильнее действуют на комету его лучи. Силой светового давления они отталкивают частицы газа и пыли. Молекулы газа и пылинки подвергаются действию быстро движущихся частиц-корпускул, идущих от Солнца. Поток этих пылевых и газовых частиц, устремившихся от Солнца, и составляет хвост кометы.
Кроме комет с периодами обращения в сотни, тысячи и десятки тысяч лет, существуют и «короткопериодические» кометы.
Сейчас известно более 60 комет, имеющих малый период обращения по своей орбите — от 3 до 100 лет. Время, в которое они хорошо видны с Земли, астрономы могут точно вычислить.
Кометы, особенно короткопериодические, живут сравнительно недолго — в некоторых случаях лишь десятки или сотни лет. Распадаясь, они образуют потоки метеорных тел. Если Земля при своём движении попадает в такой поток, то мы бываем свидетелями красивого зрелища — «звёздного дождя».
«Звёздные дожди» наблюдают сравнительно редко. В те дни, когда Земля проходит через потоки метеорных тел, движущихся в пространстве, тысячи метеоров проносятся по небу. Звёздный дождь иногда длится несколько часов. Так происходило, например, в ночь на 13 ноября 1833 года, 14 ноября 1866 года, 27 ноября 1872 года. Звёздный дождь наблюдался в Европе и в наше время — 9 октября 1933 года и в октябре 1946 года.
Учёные установили, что пути многих потоков метеоров совпадают с путями известных комет. Это доказывает, что метеорные потоки образуются из распавшихся комет.
Что же происходит при столкновении космической пылинки или камня с атмосферой Земли? Каждая такая пылинка, каждый космический камень, подчиняясь действию притяжения Солнца, обращается вокруг него. Пути этих частичек чрезвычайно разнообразны, скорости их движения очень велики. Влетая в атмосферу Земли, космическая частичка проносится сначала сотни километров в её разреженных частях, а затем примерно в 100–200 км от поверхности Земли достигает более плотных слоев. Сопротивление воздуха быстро возрастает, начинается торможение частицы. Энергия движения переходит в тепло. Сильно сжатый частицей воздух нагревается и раскаляется до температуры в несколько тысяч градусов. В этот момент мы видим с Земли ослепительный метеор. Сама частица полностью распыляется.
Ещё более интересное зрелище представляет собой болид — большое метеорное тело. Окружённый ослепительным сиянием, разбрасывая огненные искры, иногда с грохотом и свистом, он мчится к земле и, если не успевает полностью распылиться в воздухе, падает на её поверхность.
Упавшие на землю космические камни называются метеоритами. Они представляют для науки громадный интерес: их изучение помогает установить химический состав небесных тел солнечной системы.
Наиболее значительные результаты в изучении метеоритов получены в последнее время, после того как под руководством академика В. Г. Фесенкова был исследован большой метеорит, упавший 12 февраля 1947 года на Дальнем Востоке в районе Сихотэ-Алинского хребта. В настоящее время здесь уже найдено около 37 тонн метеоритного вещества. До распыления в воздухе метеорит имел массу не менее 500–1000 тонн.
Солнечная система изучена в настоящее время довольно подробно. Однако многое ещё остаётся выяснить. Что представляет собой поверхность Венеры, скрытая от нас облаками? Существует ли жизнь на других планетах, помимо Марса и Земли? Что находится под мощным облачным покровом Юпитера и Сатурна? Каково происхождение комет, многие из которых очень молоды? Над этими и другими вопросами сейчас работают учёные.
Тщательное изучение явлений позволяет выяснять не только настоящее, но и прошлое небесных тел солнечной системы. Например, становится всё более ясным, что кометы — это продукты мощных выбросов, типа вулканических извержений, происходивших и происходящих на поверхности некоторых планет и их спутников. По-видимому, такова же природа кольца Сатурна.
Ближайшая звезда — Солнце
Почти все процессы, происходящие на Земле, — физические, химические и биологические — связаны с энергией, которую даёт Земле Солнце.
Без солнечных лучей не могут существовать растения. Сжигая каменный уголь — окаменелые древние растения, — мы освобождаем накопленную солнечную энергию и заставляем её служить человеку. Используя силу воды и ветра, мы опять-таки пользуемся энергией солнечного излучения. Круговорот воды и воздуха на нашей планете происходит под влиянием солнечного тепла. Без Солнца была бы невозможна жизнь на Земле.
Что же представляет собой Солнце?
Солнце — это раскалённый газовый шар диаметром около 1 391 000 км. Оно является одной из многих миллиардов звёзд, входящих в грандиозное звёздное скопление — Галактику. Его объём в 1 306 000 раз превышает объём Земли. Масса вещества, образующего Солнце, более чем в 330 000 раз больше массы Земли и в 750 раз больше общей массы всех планет солнечной системы.
Температура на поверхности Солнца достигает 6000°, а в его недрах температура исчисляется десятками миллионов градусов. Количество света и тепла, идущего от Солнца, колоссально. За секунду Солнце излучает энергию, равную 0,3 миллиарда триллионов киловатт. Земля получает лишь одну двухмиллиардную часть этой энергии, но и это число велико — 150 000 миллиардов киловатт. Только одна тысячная доля от этого количества энергии используется для жизни растений, животных и нужд человека. Остальная часть уходит неиспользованной обратно в межпланетное пространство. Нужны были бы сотни миллионов таких электростанций, как Днепрогэс, чтобы общее количество вырабатываемой ими энергии равнялось тому, что Земля получает от Солнца.
Откуда же Солнце, которое, почти не изменяясь, существует уже много миллиардов лет, получает столь огромную энергию? Оказывается, что при температурах и давлениях, существующих внутри Солнца, происходят непрерывные превращения вещества: из более лёгких химических элементов образуются более тяжёлые. Эти реакции сопровождаются освобождением энергии, скрытой в ядрах атомов[4]Об атомах и атомной (ядерной) энергии см. книжку: В. A. Лешковцев , Атомная энергия, «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.
. Запасы атомной энергии Солнца столь грандиозны, что они поддерживали и будут поддерживать его излучение на протяжении ещё многих миллиардов лет.
Солнце состоит из раскалённых газов или паров тех же химических элементов, из которых образованы как Земля, так и все другие космические тела. Этот важный вывод, подтверждающий учение о единстве материи во вселенной, был получен с помощью спектрального анализа.
Современная астрономическая наука вооружена замечательными методами и приборами, которые позволяют с большой точностью изучать процессы, происходящие на Солнце. Установлено, что вещество на нём находится в постоянном движении. На поверхности Солнца наблюдаются тёмные пятна. Это гигантские вихри, захватывающие огромные области, часто во много раз превосходящие размеры Земли. Пятна существуют несколько дней и даже недель, постепенно изменяясь.
Рис. 7. Современный телескоп системы Д. Д. Максутова.
Процессы, происходящие на Солнце, сопровождаются электрическими и магнитными явлениями.
Активные процессы происходят не только на видимой нам поверхности Солнца — его фотосфере. Они происходят и в его оболочке, состоящей из более разреженного раскалённого газа. В период усиления солнечной деятельности потоки частиц с огромными скоростями вылетают из активных областей Солнца. Если Земля попадает в этот поток, то магнитное и электрическое состояния земной атмосферы резко меняются. При этом обычно нарушается нормальная работа радио.
Процессы, происходящие на Солнце, в сильной степени влияют и на метеорологические явления, происходящие на Земле. Поэтому в настоящее время ведётся непрерывное наблюдение за Солнцем. На наших обсерваториях существует специальная служба Солнца. Астрономы тщательно следят за всеми изменениями, происходящими на солнечной поверхности. На основе наблюдений составляются характеристики активности Солнца, которые используются для решения важных народнохозяйственных задач[5]Подробнее о Солнце см. книжку в серии «Научно-просветительная библиотека» Гостехиздата, Г. А. Аристов , Солнце.
.
В мире звёзд
Как мы видели, звёздное небо учёные наблюдали уже давно. Однако раскрыть природу звёзд удалось сравнительно недавно. Колоссальные расстояния звёзд от Земли не позволяли долгое время изучать их особенности. Только примерно со второй половины XIX столетия астрономы начали собирать сведения о звёздах, их расстояниях и характере движения в космическом пространстве. Постепенно выяснилось, что звёзды значительно отличаются друг от друга по действительной яркости или так называемой светимости. Солнце, например, отнесённое мысленно на расстояние звезды Веги, было бы по яркости в 35 раз слабее её. Замечено было различие и в цвете звёзд.
С открытием спектрального анализа наука о звёздах пополнилась важнейшими сведениями. Тщательное изучение спектров звезд показало значительное различие в температурах, существующих на поверхности звёзд — от 2000 до 30 000 и более градусов; отдельные звёзды имеют температуру, доходящую до 100 000 и даже до 500 000 градусов. Были определены и размеры звёзд; при этом Солнце по сравнению с другими звёздами оказалось звездой средней величины.
Кроме множества отдельных звёзд, учёные открыли большое число двойных, а также тройных и кратных звёзд. Эти звёзды, отличаясь каждая своими размерами и другими особенностями, образуют вместе физически связанную систему тел. Например, яркая звезда из созвездия Близнецов — Кастор — состоит из трёх составных частей, каждая из которых в свою очередь является двойной звездой.
Многие звёзды оказались переменными по своей яркости: их светимость периодически меняется.
Встречаются также звёзды, находящиеся в неустойчивом состоянии. С их поверхности в космическое пространство улетают большие количества вещества, из которого состоит звезда. Иногда этот процесс сопровождается мощными вспышками, приводящими к появлению так называемых «новых» звёзд[6]Подробнее о мире звёзд см. брошюру «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: проф. К. Ф. Огородников , Сколько звёзд на небе.
.
Все эти многочисленные и разнообразные звёзды, звёздные скопления, а также массы рассеянной материи входят в нашу гигантскую звёздную систему Галактику, которая насчитывает примерно около ста пятидесяти миллиардов звёзд.
По форме Галактика напоминает сплюснутую дискообразную фигуру (рис. 8), диаметр её около 85 000 световых лет[7]Световой год — расстояние, которое световые лучи проходят за год. Он равен 9,5 тысячам миллиардов км. Это расстояние в 63 тысячи раз больше расстояния от Земли до Солнца.
.
Рис. 8. Схема строения нашей звёздной системы — Галактики.
Звёзды, образующие Галактику, обращаются вокруг её ядра, представляющего собою скопление миллионов звёзд. Чем ближе звёзды Галактики находятся к её ядру, тем быстрее они обращаются вокруг него, но периоды обращений звёзд измеряются десятками и сотнями миллионов лет. Солнце находится от центра Галактики на расстоянии почти в 23 000 световых лет и делает полный оборот вокруг ядра примерно за 180 миллионов лет.
Но Галактикой, хотя она и колоссальна, не ограничивается вселенная.
Мощные современные телескопы позволили учёным открыть многочисленные туманности, имеющие самые различные размеры и формы.
Фотографирование неба дало возможность установить в основном три группы туманностей. В первую группу входят бесформенные туманности, являющиеся огромными облаками разреженного газа и пыли. Мы их видим благодаря тому, что они освещаются находящимися вблизи них горячими звёздами или, наоборот, загораживают свет звёзд, расположенных за ними. Эти туманности в большом количестве находятся в нашей звёздной системе и видны на небе преимущественно в области Млечного Пути.
Вторую группу составляет небольшое число так называемых планетарных туманностей, которые также входят в нашу Галактику. Они имеют вид круглых или кольцеобразных туманных пятнышек, в центре которых обязательно находится яркая и очень горячая звезда. Это — газовые туманности; в сравнительно слабые телескопы они представляются в форме круглых дисков, напоминающих диски планет, отчего они и получили своё название.
К третьей группе относятся так называемые внегалактические туманности. Их чрезвычайно много. Они различаются по яркости и размерам. Наиболее яркой из них является туманность в созвездии Андромеды, которую можно увидеть даже невооружённым глазом (рис. 9). Внегалактические туманности состоят из сотен миллиардов звёзд. Они являются такими же грандиозными звёздными системами, как и наша звёздная система Галактика, и находятся далеко за её пределами. Туманность Андромеды, например, удалена от нас на расстояние около 1,5 млн. световых лет; по размерам она сравнима с нашей Галактикой.
Рис. 9. Туманность в созвездии Андромеды.
Удалось измерить расстояния и до более удалённых внегалактических туманностей, которые теперь называют галактиками. Эти расстояния исчисляются миллионами и сотнями миллионов световых лет.
Изучая вселенную, астрономы нигде не находят её конца. Вселенная беспредельна.