Текст книги "Естествознание"

Это самая большая планета Солнечной системы. Радиус Юпитера в 11 раз больше радиуса Земли, а масса больше земной в 320 раз. Сутки на Юпитере продолжаются всего 10 часов, так быстро вращается эта планета вокруг своей оси. Ось вращения почти перпендикулярна к плоскости эклиптики. Поэтому на Юпитере при вращении вокруг Солнца не происходит смены времен года. Сам юпитерианский год длится около 12 земных лет.

Так как сила притяжения вблизи Юпитера намного больше, чем на Земле, то и его газовая оболочка – атмосфера – является во много раз более мощной, чем земная. В атмосфере Юпитера постоянно наблюдаются облачные образования в виде сероватых полос, расположенных параллельно экватору планеты (см. рис. 6 на вкладке). Лучше всего проявляются ближайшие к экватору тропические полосы, полосы в умеренных широтах выражены слабее, а зоны вблизи полюсов имеют равномерную серую окраску. Внутри полос наблюдаются различного вида неоднородности, которые часто соединяются друг с другом перемычками. На краях полос имеются мелкие детали, углубления и выступы. Вид и структура полос постоянно меняются. Однако в тропической зоне южного полушария Юпитера наблюдается постоянно присутствующее образование, обнаруженное астрономами еще в XVII в. Оно носит название Большого Красного Пятна и имеет эллиптическую форму. Оно настолько велико, что его наибольший поперечник в четыре раза больше поперечника Земли. С момента обнаружения его размеры и форма практически не менялись, менялась только его яркость. В конце XIX в. Красное Пятно настолько поблекло, что его трудно было различить даже в самые хорошие приборы того времени. Что из себя представляет Большое Красное Пятно, до сих пор точно не известно. Предполагается, что это устойчивый огромный вращающийся вихрь, период его вращения близок к шести суткам.

Юпитер не только самая большая планета в Солнечной системе, но и первая из дальних планет, имеющих большие отличия от планет земного типа. Для нас это удивительный, непохожий на все, что мы знаем, мир. Строение Юпитера вызывает много споров. Многочисленные исследования показали, что атмосфера, состоящая в основном из водорода и гелия с небольшой примесью метана и аммиака, скрывает под собой целый океан жидкого водорода, глубиной несколько тысяч километров. Водород переходит в жидкость под давлением всего столба атмосферных газов, которое во много раз превышает обычное атмосферное давление на поверхности нашей планеты. Ниже расположена еще более странная для нас оболочка из металлического водорода. Оказывается, при сверхвысоком давлении даже самый легкий из газов – водород – может стать твердым и даже перейти в металлическое состояние. На Земле это никогда и нигде самопроизвольно не происходит, потому что сила тяжести Земли не может создать такое давление в слоях, где присутствует водород (в виде химических соединений или чистого вещества). Металлический водород можно получить только в специальных лабораториях, на специальных установках и в очень небольших количествах, это очень сложная технологическая задача. На Юпитере под слоем твердого водорода находятся центральные области планеты, где, как предполагают ученые, расположено твердое железосиликатное ядро, радиус которого не более ¹/₈ полного радиуса Юпитера. Существуют модели, согласно которым под газовой оболочкой Юпитера скрывается поверхность, покрытая сплошной коркой водяного льда или даже жидким океаном, масса которого в 30 раз превышает массу Земли. Внутренние области Юпитера сильно разогреты, температура там может достигать нескольких тысяч градусов. Тепловое излучение неизбежно выходит наружу, это сказывается на повышении температуры внешней части атмосферы, что удается зарегистрировать при астрономических наблюдениях Юпитера. Существуют и другие гипотезы о строении внутренних областей Юпитера, но однозначного ответа, какая из точек зрения является верной, пока найти не удается.

Рассказы астрономов о Сатурне часто начинаются с демонстрации необычной картинки: в огромном резервуаре с водой как пробка плавает Сатурн. Смысл этой сказочной картины в том, что средняя плотность вещества Сатурна очень невелика, меньше плотности воды. Поэтому, если бы удалось его погрузить в воду в земных условиях, что, конечно же, возможно только в сказке, то он бы всплыл на поверхность.

Сатурн, благодаря своим знаменитым кольцам, самая эффектная планета Солнечной системы (см. рис. 7 на вкладке). От Солнца он расположен в 2 раза дальше, чем Юпитер, его радиус в 9,5 раза больше земного. Вращение вокруг своей оси, как и у Юпитера, очень быстрое, сатурнианские сутки длятся чуть больше 10 часов. Атмосфера Сатурна содержит в основном водород, гелий и метан. Считается, что и сам Сатурн состоит тоже из водорода и гелия (поэтому его плотность невелика: и водород, и гелий – самые легкие из всех существующих веществ). Наблюдательные данные свидетельствуют, что толщина газовой атмосферы Сатурна близка к 1000 км. Жидкая смесь водорода с гелием расположена ниже и образует всепланетный океан. На глубине около половины радиуса планеты при очень высоких давлении и температуре, так же как и на Юпитере, идет слой металлического водорода. Железосиликатное ядро, расположенное еще глубже, подогревает всю планету и ее атмосферу.

Яркие кольца Сатурна были открыты еще в XVII в. Последние исследования с Земли и с космических аппаратов показали, что кажущиеся сплошными кольца Сатурна в действительности распадаются на множество узких и тонких колечек. Выяснилось, что кольца – не уникальная особенность Сатурна, и другие планеты-гиганты также обладают кольцами, только намного менее яркими, чем кольца Сатурна. Поэтому с Земли они не видны. Но с автоматических станций «Вояджер» обнаружены два кольца вокруг Юпитера. Оправдались также предсказания о существовании колец вокруг Урана и Нептуна. Кольца Сатурна (и всех других планет-гигантов) состоят из покрытых льдом камней, размер которых редко больше 10 м в поперечнике. Толщина колец Сатурна удивительно мала по космическим меркам, всего 2 км, поэтому на снимках, сделанных с Земли, они кажутся совсем плоскими.

Обе эти планеты находятся очень далеко от Солнца, на окраине Солнечной системы. Они по своим свойствам и размерам мало отличаются друг от друга: радиус Урана в 4 раза больше земного, Нептун чуть поменьше Урана. Массы этих планет очень близки. Обе они сравнительно быстро вращаются вокруг своих осей. Так, сутки на Уране близки к 10 часам, на Нептуне они немного длиннее. Но периоды обращения вокруг Солнца для них сильно отличаются. Год на Уране составляет 84 земных года, а нептунианский год – 165 земных лет. Это означает, что с момента открытия Нептуна (это произошло в 1846 г.) до сих пор не прошел и один год на Нептуне.

Атмосферы этих планет-близнецов похожи между собой и похожи на атмосферу Сатурна. В них обнаружен водород, гелий, метан и следы аммиака. Наблюдение с Земли объектов в атмосферах и на поверхностях этих далеких планет – достаточно сложная задача. На Уране с трудом просматриваются слабые сероватые полосы, параллельные экватору, и темно-серые пятна на полюсах. На Нептуне полосы гораздо слабее, для их наблюдения необходимо использовать очень крупные телескопы (см. рис. 8 на вкладке).

Сведения об этих далеких планетах не полны, и поэтому предположения об их внутреннем строении носят предварительный характер. Считается, что их недра напоминают внутреннее строение Юпитера и Сатурна, с тем отличием, что внутри Урана и Нептуна, по всей видимости, отсутствуют слои металлического водорода. Но ядра этих планет также очень горячие, они являются источниками нагрева поверхностей и атмосфер.

Эта планета (будем ее называть планетой) труднонаблюдаема с Земли даже в мощные телескопы, поэтому наши сведения о ней не очень многочисленны. Обращается Плутон вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите, иногда он приближается к Солнцу ближе, чем Нептун. Период обращения почти 250 земных лет. Размеры Плутона постоянно уточняются, однако известно, что это наименьшая из больших планет Солнечной системы. Один оборот вокруг своей оси Плутон совершает за несколько земных суток. У Плутона есть единственный спутник, названный Хароном, который по размеру только в 3 раза меньше самого Плутона. Расстояние между Плутоном и его спутником очень невелико, всего около 20 000 км, поэтому Плутон и Харон иногда называют двойной планетой.

В состав Солнечной системы, кроме больших планет, входят тысячи малых планет, которые называются астероидами. Этот термин в переводе означает «звездоподобные». Такое название появилось, поскольку малые планеты даже в крупные телескопы выглядят слабыми звездочками без заметного диска, и лишь собственное движение на фоне дальних звезд свидетельствует, что это тела Солнечной системы (рис. 9). Более 3500 из них зарегистрировано. Зарегистрированными считаются астероиды, для которых, хотя бы приближенно, определена орбита. Однако открытых, но не зарегистрированных астероидов намного больше, причем открытия и регистрация астероидов непрерывно продолжаются. Наибольший из астероидов – Церера, обнаруженный в 1800 г., имеет поперечник более 1000 км. Остальные астероиды меньше по размеру, только 14 из них в поперечнике превосходят 250 км. Большинство астероидов имеют неправильную форму, они напоминают большие каменные осколки. Это роднит их с метеоритами. Можно считать, что метеориты – это те из астероидов, которые сталкиваются с Землей и падают на ее поверхность.

Рис. 9. Астероид Gaspra

Большинство астероидов (примерно 97 %), подобно планетам, имеют почти круговые орбиты, которые заключены между орбитами Марса и Юпитера. Остальные выходят за эти пределы и двигаются по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Некоторые из малых планет уходят далеко за орбиту Сатурна, другие подходят к Солнцу в 2 раза ближе, чем Меркурий. Астероиды с вытянутыми эллиптическими орбитами пересекают почти круговые орбиты больших планет и могут иногда менять свои траектории под действием их притяжения. Так, в период между 1949 и 1968 гг. астероид Икар подошел близко к Меркурию, который силой своего притяжения слегка изменил траекторию Икара. Расчеты астрономов показали, что даже такое незначительное изменение может привести к прохождению Икара в середине 1968 г. вблизи Земли. Расстояние максимального сближения Земли и Икара должно было составлять «всего лишь» 6 млн км. По космическим масштабам это очень незначительное расстояние, и ученые опасались, что вследствие дополнительных влияний других планет Икар снова «слегка» изменит свою орбиту и столкнется с Землей. К счастью, этого не произошло, Икар действительно прошел мимо Земли, как и было предсказано. Этот случай показывает, что столкновение Земли с крупным астероидом возможно, за всю историю существования Земли такие столкновения наверняка происходили. Вполне возможно, что различные земные катастрофы, например гибель динозавров 65 млн лет тому назад, связаны именно с такими необычными космическими событиями.

Среди «населения» Солнечной системы кометы можно выделить как еще одну категорию небесных тел, которые всегда представляли интерес для наблюдателей. В отличие от неподвижных звезд и постоянно движущихся и всегда присутствующих на небе планет, кометы – редкие и яркие гостьи, появляющиеся на короткое время и затем надолго исчезающие в космических просторах. Если на небе появилась комета, то она выглядит как туманное светящееся пятнышко. Это пятнышко называют головой кометы. Кометы могут быть очень яркими, тогда их легко наблюдать невооруженным глазом, иногда даже в дневное время. Такие кометы всегда имеют длинные светящиеся хвосты. Именно поэтому они и получили название «кометы»,

что в переводе с греческого означает «хвостатые звезды». Слабые кометы, едва различимые глазом, анализируют по фотографиям, полученным с помощью больших телескопов. Слабые кометы также имеют едва заметные короткие хвосты. Однако все кометы, когда они покидают близкие к Солнцу области, либо выглядят как едва заметные туманные пятнышки, либо вообще становятся неразличимыми.

Многочисленными наблюдениями установлено, что хвост кометы всегда направлен в сторону, противоположную Солнцу. Поэтому, когда комета приближается к Солнцу, то она движется головой вперед, оставляя хвост за собой. Когда же, обогнув Солнце, комета от него удаляется, хвост движется впереди головы.

Самая яркая часть кометы – голова – содержит внутри себя твердое ядро. Размеры ядра по космическим масштабам очень малы – от нескольких километров до нескольких десятков километров. Ядро окружено огромной газопылевой оболочкой, которая может достигать сотни тысяч километров в поперечнике. Хвост еще больше, его длина составляет миллионы километров.

Предполагается, что на больших расстояниях от Солнца кометы представляют собой только голые ядра, глыбы твердого вещества, состоящего из обыкновенного водяного льда и замороженных газов – метана, аммиака и т. д. В лед вморожены металлические и каменные песчинки и пылинки. По мере приближения к Солнцу этот лед начинает испаряться, создавая вокруг ядра оболочку из газа и пыли. Давление солнечного света отталкивает этот разреженный газ в сторону, противоположную Солнцу, образуя кометный хвост. У некоторых больших комет процесс испарения кометного вещества происходит очень интенсивно, оболочка и хвост при этом вырастают до гигантских размеров. Так, диаметр оболочки кометы Холмса, наблюдавшейся с Земли в 1882 г., был равен 1,5 млн км, а длина хвоста достигала 300 млн км.

За всю историю наблюдений было открыто много комет. Но особое внимание заслужила комета Галлея, названная по имени первооткрывателя, английского астронома Эдмунда Галлея, обнаружившего ее на небе в 1682 г. Изучение траектории кометы, вычисление орбит комет, наблюдавшихся ранее, сопоставление сроков позволило Галлею предсказать, что найденная им комета должна снова появиться на небе через 75 лет. Предсказания астронома полностью оправдались. С тех пор каждые 75 лет телескопы нацелены в сектор неба, предсказанный астрономами, для пристального наблюдения за кометой Галлея. Последний раз она проходила вблизи Земли в 1986 г. (см. рис. 10 на вкладке). Исследование кометы Галлея в тот год проводилось не только с Земли, но и со специальных космических зондов, посланных для встречи с ней. Исследования были успешными и дали много нового материала о строении, составе и жизни кометы. Но это уже другая история.

Теперь ненадолго приблизимся к нашей родной планете. По дороге задержимся на расстоянии около 384 000 км от земной поверхности и поглядим внимательно на наш естественный спутник. Из всех небесных тел Луна не только самое близкое к Земле, но и самое изученное из них. Ее светлый диск или серп на протяжении всей истории человечества разгоняет ночную темноту во всех странах, во всех частях света. Люди разглядывали ее всегда, интересовались ее движением по небесному своду, изучали ее фазы, измеряли и продолжают измерять длительность различных земных процессов лунными месяцами. Люди уже побывали на Луне, там работают измерительные приборы, которые передают на Землю характеристики лунной поверхности и другую ценную информацию. Сведения о Луне настолько обильны, что ей посвящено много научных и популярных книг. Здесь мы приведем только то, что кажется нам наиболее интересным и что полезно знать обычному, рядовому человеку в нашем подлунном мире.

Радиус Луны составляет 1740 км, это почти в 4 раза меньше земного радиуса. Масса Луны в 81 раз меньше земной. Следствием этих отличий является уменьшение силы тяжести; на поверхности Луны она в 6 раз меньше той, которую мы испытываем на Земле. Если ваш вес составляет 80 кг, то на поверхности Луны вы будете весить всего немногим больше 13 кг. Такая незначительная с точки зрения землян сила тяжести, вероятно, стала причиной отсутствия на Луне атмосферы. Все попытки ученых ее обнаружить с помощью различных экспериментальных методов не увенчались успехом. Предполагается, что за время существования Луны газовая оболочка постепенно улетучилась, так как недостаточное притяжение планеты не может долго препятствовать удалению за пределы окололунного пространства быстро движущихся молекул газовых компонентов.

Даже невооруженным глазом можно увидеть на диске Луны светлые и темные области, которые условно называют лунными материками и морями (рис. 11). Кстати, постоянство внешнего облика поверхности Луны говорит о том, что наш спутник всегда повернут к Земле одной и той же стороной, одним своим полушарием. Это означает, что период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли. Оба этих периода составляют 27 земных суток и 8 часов – этот срок называется лунным месяцем.

Рис. 11. Луна. Вид в телескоп

Уже первые астрономические наблюдения Луны с использованием телескопов, начатые в XVII в. Галилеем, позволили обнаружить присутствие на ее поверхности сложного рельефа. В настоящее время крупные телескопы позволяют различать на Луне объекты размером менее 1 км. При непосредственном изучении Луны космическими аппаратами и космонавтами, побывавшими на ее поверхности, отдельные районы Луны могут быть исследованы так же подробно, как земная поверхность. В результате таких исследований было установлено, что крупные детали лунной поверхности – материки и моря – это типовые формы всего лунного рельефа. Первые представляют собой горные области, вторые, наоборот, – впадины, глубина которых относительно среднего уровня лунной поверхности иногда достигает нескольких километров. Некоторые лунные горы, в частности гора Лейбниц (по имени знаменитого математика XVIII в.) достигают девятикилометровой высоты. Значит, перепад высот и глубин на Луне не уступает тому, что имеется на нашей планете. Лунные материки не имеют собственных названий, однако каждое лунное море получило свое имя еще во времена Галилея (например, Море Кризисов, Море Дождей, Море Спокойствия, Море Облаков и т. д.). Части морей, вдающиеся в материки, называются заливами. Темные пятна небольших размеров называются озерами, а области, имеющие яркость, промежуточную между материками и морями, – болотами (Болото Снов около Моря Спокойствия).

Горные хребты на Луне по большей части носят привычные земные названия – Альпы, Карпаты, Алтай, Кавказ. Большинство лунных хребтов имеют несколько сотен километров в длину при высоте до 3 км. Чаще всего лунный рельеф изобилует многочисленными кольцевыми горами, или лунными кратерами. Их названия соответствуют именам известных ученых – кратеры Коперника и Циолковского. Многие лунные кратеры имеет огромные размеры; лунный кратер Шиккард имеет поперечник более 200 км. Некоторые лунные кратеры являются центрами, от которых радиально расходятся системы светлых лучей, тянущихся иногда на сотни и тысячи километров. Космические лунные зонды показали, что светлые лучи часто представляют собой скопление мелких кратеров, образовавшихся, по всей видимости, при выбросе вещества из центрального большого кратера.

Происхождение различных форм лунного рельефа продолжает анализироваться учеными. Но общие тенденции процесса формирования лунной поверхности в целом понятны. Все время своего существования лишенная атмосферы Луна подвергалась непрерывному метеоритному обстрелу. При отсутствии торможения метеоритов в газовой среде, как это происходит в земных условиях, небесные камни со скоростями не менее 5 км/с ударялись о лунную поверхность. Происходили взрывы, при которых выделялось большое количество энергии. Тем большее, чем больше скорость и масса метеорита. При скоростях более 10 км/c взрывные эффекты возрастали в сотни и тысячи раз. Есть основания предполагать, что в далеком прошлом метеоритная бомбардировка Луны была более интенсивной, чем в настоящее время. Следствием метеоритной бомбардировки является образование лунных кратеров.

Количество падающих на Луну метеоритов зависит от их размеров, чем они меньше, тем они многочисленнее. Микрометеориты, имеющие массу меньше 1 г, сталкиваются с Луной практически непрерывно. В результате таких столкновений на Луне сформировался тонкий пемзообразный поверхностный слой. Наряду с влиянием метеоритов лунная поверхность подвергается постоянному воздействию солнечного ультрафиолетового излучения, которое не ослабляется поглощением в газовой атмосферной среде и также участвует в формировании самого поверхностного слоя Луны.

Вместе с тем, кроме внешних факторов воздействия на лунную поверхность, следует учитывать и влияние внутренних сил. Похожие на гладкие поверхности лунные моря напоминают обширные лавовые потоки. Гофрированная, как бы пенистая поверхность каменных валов позволяет предположить, что они представляют собой застывшие края лавовых потоков. В некоторых местах лунной поверхности видно, как лава обтекала препятствия на своем пути. Часть центральных горок лунных кратеров имеют выраженные «жерла». Возможно, они являются лунными вулканами? Несколько раз российские и американские астрономы наблюдали выделение газов из некоторых лунных кратеров, что классифицировалось ими как лунные извержения (рис. 12). Поэтому полагают, что вулканическая деятельность на Луне продолжается.

Химические анализы лунных пород проводились непосредственно аппаратами на поверхности Луны и в земных лабораториях, где исследовались образцы, доставленные с Луны в возвращаемых модулях лунных кораблей. Результаты этих анализов показали, что набор химических элементов в лунных образцах тот же, что и в земных изверженных вулканических породах. Однако за счет прямого влияния метеоритного вещества лунные породы обогащены титаном, цирконием и другими металлами, реже встречающимися в вулканических породах Земли.

Рис. 12. Кратер Аристарх и долина Штерера. Разлом лунной коры. Здесь наиболее часто видно в телескоп свечение газов, выделяющихся из недр Луны

Многое в природе и строении Луны остается пока невыясненным. Но это и понятно, ее непосредственное изучение началось совсем недавно. Оно продолжается со все нарастающей скоростью. Надеемся, что и будет продолжаться в самом ближайшем будущем. Так что есть реальный шанс совсем скоро узнать много нового о Луне.