В увлекательной форме рассказано о первых успехах нового направления в науке — сравнительной планетологии. Читатель узнает о новейших достижениях геофизики в изучении недр планеты и спутников, космических связях геофизики, роли гравиметрии в определении фигуры Земли, предсказаниях землетрясений, вулканических процессах на планетах. Значительное место уделено проблемам происхождения Солнечной системы и планет, использованию их недр для технических нужд человечества.
ВВЕДЕНИЕ
Мы плохо знаем нашу Землю. Самые глубокие буровые скважины достигают глубин около 10 км, что составляет менее 1/600 земного радиуса. О том, что творится в недрах Земли, нам известно лишь по косвенным данным, которые подчас можно истолковать по-разному. До сих пор не прекращаются споры о природе цетраль-ного ядра Земли, происхождении нефти, расширении земного шара. Легко указать и ряд других дискуссионных тем в области геофизики и геологии.
Не лучше обстоит дело и с изучением внешней газовой оболочки Земли. Неудачные прогнозы погоды (а они весьма часты) говорят не только о сложности проблемы, но и о плохой изученности многочисленных связей между Землей и Солнцем. Земная магнитосфера, как признают специалисты, изучена очень поверхностно. Долгое время считалось, что земная атмосфера постепенно сходит на нет где-то на высотах 1000–2000 км. Сенсационным оказалось недавнее открытие вокруг нашей планеты внешней плазменной оболочки. Хотя ясно, что процессы в ней оказывают громадное влияние на Землю и солнечно-земные связи, механизм этих процессов пока почти не известен. Между тем в этом случае речь идет о причинах магнитных бурь, полярных сияний, нарушениях радиосвязи, что имеет большое практическое значение.
Общеизвестно, что все познается в сравнении. Так как Земля вовсе не является уникальным объектом во Вселенной, еще в начале века возникло новое направление в науке, названное планетологией. Создателем ее был известный исследователь Марса и его каналов П. Ловелл. В 1906 г. он прочитал лекцию о своих тринадцатилетних исследованиях загадочной планеты и в этой лекции впервые прозвучало слово планетология. По мысли П. Ловелла, этот раздел естествознания должен подробно изучать эволюцию планетных миров с момента их образования. Тем самым предполагалось, что планетология заполнит брешь, существовавшую в то время между популярной космогонической гипотезой Д. Мультона и эволюционной теорией Ч. Дарвина. Сам П. Ловелл писал об этом так: «Поэма нашей Солнечной системы начинается великой катастрофой. Столкнулись два солнца. Что было, погибло; чему предстояло быть, родилось. Весьма мало шансов, чтобы встретившиеся тела ударились прямо друг о друга, но и без столкновения результаты встречи были столь же гибельны. Из наружных осколков образовались большие и малые массы, а обломки разбитого ядра дали начало нашему центральному телу…»
Далее, подробно рассматривая, как он говорил, «генезис мира», П. Ловелл утверждал, что масса является основным фактором во всем процессе эволюции и всякая планета проходит шесть стадий развития. На первой и второй стадиях она самосветящееся тело, подобное Солнцу. Затем планета остывает, затвердевает, на ней образуются кора и океаны (третья и четвертая стадии). Постепенно испаряясь, океаны в конце концов исчезают, рассеивается атмосфера — и планета заканчивает свое существование в виде безжизненного тела (пятая и шестая стадии). П. Ловеллу казалось, что астрономия начала XX века блестяще подтверждает его эволюционную схему. Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) находятся во второй стадии, Земля — в четвертой стадии, пустынный и безводный Марс завершает пятую стадию, которая сменится той безжизненной шестой стадией, на которой находится Луна.
С современной точки зрения первые планетологи-ческие построения П. Ловелла выглядят, конечно, очень наивными, но главная идея — сравнительный анализ Земли и планет — остается и сейчас актуальной. Верно, конечно, и то, что физическое состояние тела зависит главным образом от его массы. С этой позиции рассматривается космос и в предлагаемой вниманию читателей книге. Мы совершим с вами прогулку по «лестнице» масс, не задерживаясь при этом на самых верхних и самых нижних ее ступенях. В первом случае разговор пойдет о звездах, во втором — о столь малых космических телах, что говорить об их «недрах» просто бессмысленно. А вот средняя часть «лестницы», занятая планетами и Землей, привлечет наше особое внимание.
О ТЕЛАХ МАССИВНЕЕ ЗЕМЛИ
Подавляющее большинство космических тел гораздо массивнее Земли. Эти тела мы называем звездами и они составляют типичное «население» космоса. Есть немало убедительных аргументов в пользу того, что наша планетная система далеко не уникальна. Подобные системы, скорее всего, есть вокруг многих звезд. Однако не все из них обладают населенными планетами, подобными Земле. Пример Солнечной системы наглядно показывает, что для возникновения и развития жизни нужно особое сочетание массы планеты и внешних условий. Так что существование планетной системы само по себе еще не является гарантией того, что в окрестностях данной звезды существует жизнь.
Недра звезд
Любуясь звездным небом, человек не всегда сознает, что перед его глазами — самые распространенные космические образования. И наоборот — земная твердь, ощущаемая под ногами, — это величайшая редкость, и по крайней мере по массе планетам в космосе отведена незначительная роль.
Любой, самый неискушенный наблюдатель замечает не только разницу в блеске звезд, но и различие в их окраске. Причина этому — размеры звезд, их температура и расстояние до них. Но, как бы ни были многообразны звезды, их объединяет одно — это тела самосветящиеся, излучающие свет за счет своей внутренней энергии. Одно время полагали, что эта энергия выделяется при постепенном сжатии звезды. Подобно тому, как накачивая велосипедным насосом камеру, Вы заставляете его разогреваться, сжатие за счет гравитации исполинского газового шара звезды неизбежно вызывало его разогрев. Правда, подсчеты вскоре показали, что такой механизм не может обеспечить самосвечение звезды в течение миллиардов лет.
Несостоятельной оказалась и другая гипотеза — предположение, что звезда разогревается за счет непрерывного падения на нее метеоритов. Наконец, только к середине текущего века нашлось как будто правильное решение — энергия звезд поддерживается теми ядерными реакциями, которые совершаются в их недрах. Трудно наглядно представить себе эти недра, где давление газа достигает миллиарда мегапаскалей, а температура — миллиона градусов. Теоретики-астрофизики строят модель звезды и происходящих внутри нее ядерных реакций, а затем сравнивают эту умозрительную схему с наблюдениями. Кто-то из них однажды сказал, что самое простое на свете — это звезда. И на самом деле, даже любое мельчайшее знакомое нам живое существо несравнимо сложнее звезды. Речь идет не только о сложных высокомолекулярных соединениях, составляющих тело всех организмов, но и о тех процессах, которые поддерживают в них жизнь.
А звезда на самом деле устроена очень просто. Это водородно-гелиевый газовый шар, в каждой точке которого тяготение к центру уравновешивается силой давления газа. Для обычных широко распространенных звезд температура их центральных областей заключена в пределах от 10 до 20 млн. градусов. Так как на поверхности звезд температура значительно ниже, чем в их центре, в любой звезде совершается постоянный перенос энергии изнутри наружу. Механизмом этого переноса может служить как лучеиспускание, так и конвекция. Достигнув поверхности, внутренняя энергия звезды излучается в пространство.
Устойчивость любой звезды объясняется противоборством двух главных сил — тяготения и давления газа. Первая заставляет звезду сжиматься, но упругость газа, или, как говорят, его давление, этому препятствует. Равновесие двух сил в каждой точке звезды и обеспечивает ее стабильность как космического тела. При некоторых допущениях можно рассчитать, как распределяются плотность, давление и температура вдоль каждого радиуса звезды, т. е., иначе говоря, построить модель звезды, дающую представление о ее общем строении. В современных моделях звезд учитываются не только гравитация и упругость газа, но и потоки электромагнитной энергии, излучаемой звездой. Эта энергия также должна участвовать в создании равновесия внутри звезды, а потому расчеты звездных моделей — дело весьма трудоемкое, требующее привлечения быстродействующих электронно-вычислительных машин.
Величайшая из планет
В 1913 г. в очередном издании своей знаменитой «Популярной астрономии» К. Фламмарион писал: «Юпитер, по-видимому, еще формирующийся мир, который недавно — несколько тысяч веков тому назад — служил Солнцем в своей собственной системе». Так можно было утверждать во времена, когда причина свечения Солнца и звезд оставалась неизвестной. Нынче мы с уверенностью можем утверждать, что Юпитер никогда не был самосветящимся. Хотя его масса в 318 раз превосходит массу земного шара, он все же «не дотянул» до звезды. Будь его масса в десятки раз больше, то давление в центре Юпитера, а значит, и температура возросли бы до значений, при которых стали бы возможными ядерные реакции. Но этого нет, и потому Юпитер — несамосветящееся тело и его блеск на земном небе является отражением солнечных лучей.
Это не мешает Юпитеру быть одним из самых доступных для изучения астрономических объектов. Даже в небольшие любительские телескопы заметно сжатие Юпитера, составляющее 1/16 (для Земли — 1/298). Причина сильного сжатия — быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси. Сутки на этой планете продолжаются всего около 10 ч. На желтоватом, слегка сплюснутом диске Юпитера легко различимы сероватые полосы, тянущиеся параллельно его экватору. Они весьма изменчивы, и уже давно астрономы пришли к выводу, что это не детали твердой поверхности, а облака в огромной мощной атмосфере Юпитера. Газовая оболочка в разных зонах движется по-разному. Экваториальные зоны завершают оборот за 9 ч 51 мин, умеренные — за 9 ч 56 мин. Этот факт еще раз доказывает газовую природу видимой поверхности планеты.
Среди атмосферных образований Юпитера есть и такие, которые обладают редкой стабильностью. К ним относится Красное Пятно — громадная розоватая овальная область в южном полушарии Юпитера протяженностью 35 000 км по долготе и около 14 000 км по широте. Уже несколько веков с момента ее открытия (XVII век), положение этой области на диске Юпитера остается почти неизменным, тогда как интенсивность окраски периодически меняется. Бывают годы, когда различить Красное Пятно с Земли бывает затруднительно. Зато в 1979 г. при близком пролете космических аппаратов «Пионер-11» и «Вояджер-1» (их отделяло от Юпитера всего 300 060 км) вихревая природа Красного Пятна стала очевидной. Теперь уже ни у кого нет сомнений, что Красное Пятно — это исполинский вихрь в атмосфере планеты, вращающийся вокруг оси с периодом примерно в 6 земных суток. Невольно вспоминаешь земные циклоны, длящиеся обычно несколько дней. На Юпитере же циклоны сохраняются веками (если не тысячелетиями). Не только по размерам (по диаметру Юпитер в 11 раз больше Земли), но и по масштабам всех сходных явлений величайшая из планет несравнимо превосходит то, что окружает нас в земной обстановке.
Есть и аналоги Красному Пятну. Среди других более или менее стабильных пятен выделяется Белое пятно поперечником 16 000 км. Прямые наблюдения зафиксировали над ночным полушарием Юпитера многочисленные молнии. Наше воображение не в состоянии наглядно представить постоянные грозы Юпитера, ослепительные вспышки его гигантских молний и оглушительные раскаты грома, которые не вынесло бы ни одно земное ухо. Остается лишь ограничиться замечанием, что имя бога-громовержца выбрано для крупнейшей из планет очень удачно.
Долголетние и разнообразные исследования (в том числе и с космических аппаратов) доказали, что атмосфера Юпитера на 77 % состоит из водорода и почти на 23 % — из гелия. К этому следует добавить небольшие примеси аммиака и метана, которые одно время считали главными компонентами атмосферы Юпитера.
Легче воды
В популярных книгах по астрономии иногда приводится забавный рисунок: в колоссальном воображаемом водном бассейне с легкостью пробки плавает Сатурн. Эта фантастическая ситуация отражает реальный факт — из всех главных планет Солнечной системы только Сатурн имеет среднюю плотность меньше единицы. Это, впрочем, не мешает ему, благодаря своему знаменитому кольцу, быть самой эффектной из планет.
По размерам Сатурн уступает только Юпитеру. Его масса в 95 раз, а поперечник в 9,4 раза превосходит земные, а сжатие (1/10) даже больше, чем у Юпитера. Сутки на Сатурне близки к 10,5 ч, а вращение атмосферы имеет такой же зональный характер, как у Юпитера. Вокруг Сатурна обращается 17 спутников.
Долгое время считалось, что кольцо, или, точнее, кольца
[5]
Сатурна, — его уникальная особенность (рис. 3). За последние десятилетия выяснилось, что и другие планеты-гиганты обладают кольцами, правда, гораздо менее яркими, чем кольца Сатурна. Например, в 1979 г. с пролетных автоматических космических станций «Вояджер» вокруг Юпитера были обнаружены два кольца, состоящие из мелких камней и пыли. Оба они лежат в экваториальной плоскости Юпитера, причем внешний край большего кольца имеет радиус 126 000 км, внутренний — 113 000 км. Кольцо очень тонкое — его толщина не превышает 1 км. Второе — внутреннее кольцо имеет аналогичную природу и почти примыкает к внешним слоям атмосферы Юпитера. Замечательно, что существование этого кольца было предсказано еще в 1960 г. киевским астрономом С.К. Всехсвятским. Оправдались и его предсказания о существовании колец Урана и Нептуна.
Что касается ярких колец Сатурна, то они были открыты еще в XVII веке, но лишь в последнее время средствами космонавтики было доказано, что кажущиеся с Земли сплошными кольца Сатурна на самом деле распадаются на великое множество узких и тонких «колечек». Как и у Юпитера, кольца Сатурна состоят из покрытых льдом камней, поперечник которых не превышает 10 м. Толщина всех колец Сатурна не превышает 2 км.
Спектральный анализ показал, что в атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан, ацетилен и этан. Что касается содержания химических элементов, то возможно Сатурн на 90 % состоит из водорода и гелия. Спектр гелия таков, что его линии находятся за пределами видимой нам части спектра.
