Текст книги "Твиты о Вселенной. Микроблоги о макропроблемах"

42. Зависит ли климат Земли от Солнца?

Климат Земли управляется Солнечной энергией. Крошечные изменения в излучении солнечной энергии оказали бы драматическое влияние на погоду и климат.

В течение своей жизни Солнце, как и все звезды, стало ярче и жарче. В далеком будущем Земля тоже станет слишком горячей для жизни.

В более коротких временных пределах эффект не столь очевиден. Тем не менее измерения показывают, что Солнце производит чуть больше энергии во время солнечного максимума (на 0,1 %).

Ответ климата Земли на эти изменения, вероятно, слишком медленный, чтобы иметь хоть какое-то значение, так как Солнечный цикл длится в среднем лишь 11 лет.

Но Минимум Маундера – период низкой солнечной активности между 1645 и 1715 – совпал с Малым ледниковым периодом. В Европе было на 1°C холоднее, чем обычно.

Кроме того, более высокая, чем в среднем, солнечная активность в ХХ в., возможно, внесла свой вклад в глобальное потепление. Но существует много разных мнений об этом.

Не говоря уже о прямом воздействии Солнца (излучение), низкая солнечная активность может охладить планету, приводя к образованию отражающих солнечный свет облаков.

Теория: во время солнечного минимума солнечный ветер менее мощный, так что более высокоэнергетические космические лучи из космоса могут достичь атмосферы Земли.

Космические лучи выбивают электроны из атомов в воздухе; в результате заряженные ионы действуют как крошечные «зародыши», вокруг которых конденсируются капли воды (облака).

Научный консенсус: глобальное потепление в основном обусловлено сжиганием ископаемого топлива. Солнце может играть второстепенную роль, но его точный вклад неясен.

Длительные периоды высокой/низкой солнечной активности почти наверняка влияют на климат. Так, новый Минимум Маундера привел бы на некоторое время к компенсации глобального потепления.

В очень долгосрочной перспективе Земля будет испытывать стремительный рост парникового эффекта, как Венера. Океаны выкипят; планета превратится в жаркое.

43. Будет ли Солнце существовать вечно?

Ничто, как говорят, не существует вечно. И это настолько же верно для Солнца, насколько и для всего остального в мире.

Каждую секунду Солнце превращает около 400 млн тонн водорода в гелий, побочным продуктом этой реакции является солнечный свет. Когда-нибудь запасы водорода иссякнут.

Когда водород «сгорает» в гелий, гелиевая «зола» опускается к центру Солнца. Приблизительно через 5 млрд лет в солнечном ядре не останется водорода.

Солнце имеет возраст 4,55 млрд лет. Это значит, что оно на полпути до полного сгорания водорода, т. е. на середине своего жизненного цикла.

Накопленная гелиевая зола делает солнечное ядро плотнее и теплее, поскольку гелий тяжелее водорода. Таким образом, Солнце становится горячее, когда теряет тепло!

Сегодня Солнце на 30 % ярче, чем в то время, когда родилось. Вопрос: так почему новорожденная Земля не замерзла? Ответ: парниковые газы помогли сохранить тепло планеты.

В будущем солнечное ядро будет продолжать становиться плотнее/горячее. Дополнительное хлынувшее тепло будет раздувать оболочку до огромных размеров, создавая «красный гигант».

Красный гигант прохладен, как тлеющие угли, но благодаря огромной площади поверхности может излучить в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце.

Земля зажарится, превратившись в почерневшую золу. Но будет ли она на самом деле поглощена раздувшимся Солнцем? Никто этого не знает.

Внешние слои красных гигантов пробиваются в космос. Таким образом, Солнце будет терять массу и ослаблять свое гравитационное воздействие. Земля отдалится.

Так, хотя Солнце раздуется, чтобы заключить в себя орбиту Земли, ко времени, когда это произойдет, Земли там не окажется!

Во время фазы красного гиганта Солнце будет расточать свое тепло. В конечном счете оно охладится и сожмется до суперплотного «белого карлика».

Белый карлик станет размером с Землю (кусочек сахара его вещества тяжелее семейного автомобиля). Это звездный тлеющий уголек, охлаждающийся и затухающий до невидимости.

Солнце, словами поэта Т. С. Элиота, закончится «не взрывом, а всхлипом».

Солнечная система

44. Откуда произошла Солнечная система?

В начале были холод (–260 °C), темное межзвездное облако из газа и пыли и чернильное пятно на звездном фоне.

Облако, вероятно, висело бы там всегда, ничего не делая, если бы не толчок, возможно, от ударной волны взорвавшейся звезды (сверхновой).

Приблизительно 4,55 млрд лет назад облако начало уменьшаться в объеме под действием собственной гравитации; его газ сжимался и становился более плотным.

Когда газ сжимают, он нагревается. Направленная наружу сила, действующая со стороны нагретого газа, должна остановить сжатие газа на его пути.

Но молекулярный водород, угарный газ и т. д. теряют тепло в виде света (микроволны), который улетучивается из облака, крадя у него способность противостоять гравитации.

Первоначально облако вращалось с маленькой скоростью (так же медленно вращается Млечный путь). Но, как только оно сжалось, вращение ускорилось. Это было подобно фигуристу на льду, сложившему руки.

Облако сжималось быстрее между полюсами, чем вокруг талии, где против силы тяжести действовала внешняя «центробежная» сила. Оно стало плоским вращающимся блином.

В центре облака – газ, сжатый и нагретый до миллионов градусов. Были запущены ядерные реакции, генерирующие солнечный свет. Солнце родилось.

В осколках диска, вращающихся вокруг новорожденного Солнца, частицы пыли ударялись и слипались, создавая более крупные «планетоподобные» частицы километровых размеров.

На последних бурных стадиях рождения Солнечной системы планетоподобные объекты неоднократно сталкивались, постепенно образуя планеты, включая Землю.

Моделирование часто показывает, что сформировалось 10 тел с массой Земли. Столкновения с гигантскими эмбриональными планетами забросили собратьев Земли в межзвездное пространство.

Но Солнечная система родилась не одна. В другом месте в необъятной звездной колыбели также родились облака, из которых образовались другие звезды и планеты.

Из-за взрывов сверхновых соседних массивных звезд (короткоживущих) сотрясалась молодая Солнечная система. Ядерные осколки сверхновой найдены в метеоритах.

45. Что такое планета?

Это слово происходит от греческого planētēs, что означает «блуждающая». Планеты – небесные тела, которые движутся на фоне звезд.

В древности были известны семь планет: Солнце, Луна, Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Землю не считали планетой.

В «гелиоцентрическом» мировоззрении Николая Коперника (1543), планеты – объекты, вращающиеся вокруг Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн.

Различие между звездой и планетой в том, что звезда, большая и горячая, излучает свет и тепло; планета, небольшая и холодная, получает свет и тепло от звезды.

В ночном небе они тоже выглядят по-разному: планеты обычно кажутся более яркими, не мерцают, как звезды, и медленно изменяют положение между звездами.

Но не все небесные тела, которые вращаются вокруг Солнца, считаются планетами. Заметными исключениями являются кометы и астероиды, также известные как малые планеты.

С открытием многих подобных Плутону ледяных тел в «поясе Койпера», вне орбиты Нептуна, стало необходимым уточнить определение «планеты».

Были выделены три особенности этих небесных тел. 1. Планета должна вращаться вокруг Солнца. 2. Она должна быть сферической из-за собственной силы гравитации. 3. Планета должна иметь орбиту, чистую от мусора.

Только восемь тел в Солнечной системе удовлетворяют этим критериям: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Несколько тел удовлетворяют только критериям 1 и 2. Такие объекты, прежде всего астероид Церера и Плутон (объект пояса Койпера), получили название карликовых планет.

Возможен еще критерий 4: планеты должны быть меньше, чем ~14 масс Юпитера. Более массивные объекты называются коричневыми карликами, что указывает на возможность ядерного синтеза.

Некоторые астрономы предложили критерий 5: планета должна быть сформирована путем объединения вещества обломков в диске, закрученном вокруг новорожденной звезды.

В то время как в нашей Солнечной системе известны только восемь планет, было обнаружено более чем 500 «экзопланет», вращающихся вокруг других звезд.

46. Почему планеты круглые?

Сила тяжести – универсальная сила притяжения между всеми массами, так что каждый фрагмент большого тела пытается притянуть к себе любой другой фрагмент.

Если материал может течь, тело образует сферу. Эта форма гарантирует, что каждый составляющий кусок максимально близок к любому другому.

Гигантские планеты, такие как Юпитер и Сатурн, образованы из газа (и жидкости глубоко внутри, она находится там, где газ сжат), который течет. Поэтому они круглые.

Фактически у Юпитера и Сатурна выпуклые талии. Поскольку они вращаются быстро, газ на их экваторах имеет тенденцию оттесняться вовне.

Каменистые и ледяные тела имеют другую форму. Сила тяжести не может настолько сжать внутреннюю часть, чтобы та текла. Поэтому они имеют неправильную форму, подобную картофелинам.

Но чем массивнее тело, тем больше сила тяжести, объединяющая и сжимающая его вещество.

При определенном размере тела сила тяжести достаточна, чтобы сделать текучей его сердцевину. Для каменистых тел пороговый размер ~400 км; для ледяных ~600 км.

Соответственно, в Солнечной системе все каменистые тела больше ~400 км в диаметре, а все ледяные тела более ~600 км.

Таким образом, это борьба между тяготением, которое сдавливает материю, и электромагнитной (ЭМ) силой, которая делает материю жесткой и противодействует силе тяжести.

ЭМ сила, благодаря которой электроны соседних атомов отталкивают друг друга, более чем в 1000 трлн трлн триллионов раз превышает силу тяжести…

… Итак, необходимо, чтобы огромное число атомов объединилось вместе, т. е. чтобы астрономическое тело было большим для победы гравитации.

Конечно, если масса достаточная, то гравитация является подавляющей силой и ничто во Вселенной не может бросить ей вызов. Результат: черная дыра. Но это уже другая история!

47. Какая планета самая маленькая?

Самая маленькая планета в нашей Солнечной системе это Меркурий. Ее диаметр всего 4880 км, что только на 40 % больше нашей Луны.

Меркурий установил множество планетарных рекордов: самая маленькая, самая глубокая, самая быстрая, самая плотная планета. Она имеет самый большой диапазон температур, является самой вытянутой и имеет самую перекошенную орбиту.

Расположенный так близко к Солнцу (58 млн км), Меркурий виден чуть выше горизонта на закате или рассвете. Его нельзя наблюдать, если есть здания или деревья.

Обследование поверхности, сделанное с помощью телескопа, казалось, приводило к предположению, что Меркурий сохраняет одну сторону постоянно обращенной к Солнцу.

Но радиолокационные наблюдения в 1960-х выявили, что Меркурий совершает оборот раз в 59 дней, что составляет 2/3 от 88 дней, требуемых для его обращения вокруг Солнца.

Подобно Луне, Меркурий покрыт кратерами: его поверхность подвергалась ударам. Когда-то на нем была вулканическая активность, но она прекратилась несколько млрд лет назад.

Из-за высокой температуры и слабой гравитации (37 % от земной) Меркурий не имеет атмосферы. Температура на нем +450 °C (днем) и –185 °C (ночью).

Фактически доказано наличие льда на Меркурии. Ось планеты не наклонена, как у Земли. Значит, дно глубоких кратеров на полюсах всегда в тени.

Железное/никелевое ядро Меркурия огромно в сравнении с планетой. Если оно частично расплавленное, с циркулирующими токами, то это может объяснить магнетизм планеты.

Железное ядро может быть большим, потому что в далеком прошлом сам Меркурий был гораздо больше. Гигантские удары могли сжечь большую часть каменной мантии планеты.

Первым космическим кораблем, направленным к Меркурию, был Маринер 10: в ходе трех облетов в 1974 и 1975 была составлена карта половины планеты. Большинство кратеров были названы в честь художников.

В марте 2011 на орбиту прибыл космический аппарат НАСА Мессенжер. Он исследовал состав поверхности, магнитное поле и внутреннюю структуру Меркурия.

48. Почему Венера ближе всего к аду из всех других известных нам мест?

Венера – самый яркий объект в небе после Солнца и Луны. Она названа в честь римской богини любви из-за ее красивейшего, прелестного появления.

Поскольку Венера ближе к Солнцу, чем Земля (на 108 млн км), она может быть видна только после заката (вечерняя звезда) или перед восходом солнца (утренняя звезда).

Венера имеет диаметр 12 103 км, т. е. она немного меньше Земли. Ее внутренняя структура, состоящая из железного ядра, скалистой мантии, вероятно, очень похожа на земную.

Кажется, что у Венеры нет движущихся «плит», как у Земли. Но поверхность молода, возможно, из-за глобального вулканизма или другого геологического процесса.

Венера крутится назад, как будто планета перевернута. Кроме того, ее день (243 земных дня) длинее, чем ее год (225 дней). Почему – непонятно.

Супервысокая температура поверхности, 500 °C, зафиксирована в 1962 Маринером 2 – первым межпланетным космическим кораблем. Причина в сильном парниковом эффекте.

Венера имеет плотную атмосферу (в основном из диоксида углерода): давление на поверхности этой планеты в 90 раз больше земного. Поверхность скрыта от глаз густыми облаками, содержащими серную кислоту.

С температурой, достаточной для плавления свинца, разрушающим поверхность давлением, кислотными облаками и сильными молниями, Венера – это ад.

В 1970-х советский аппарат Венера спустился вниз через облака и сфотографировал поверхность. Враждебная среда быстро уничтожила его.

В 1990–94 космический орбитальный аппарат НАСА Магеллан находился на орбите планеты и произвел картографирование поверхности радаром, проникающим через облака. Так ему удалось «увидеть» холмистые равнины, кратеры, вулканы.

С апреля 2006 европейский Венера-экспресс находится на орбите и изучает атмосферу с климатом, а также ищет активные вулканы с помощью термодатчиков.

Все особенности рельефа на Венере были названы в честь женщин (за исключением гор Максвелла, названных в честь жившего в XIX в. шотландского ученого, чьи работы сделали возможным создание радара).

49. Почему Марс красный?

Марс был назван в честь римского бога войны из-за своего яркого красного цвета. Он обращается вокруг Солнца за 1,88 года.

Марс, который находится в 228 млн км от Солнца, вращается за пределами орбиты Земли. Когда Земля обгоняет его (каждые 26 месяцев), Марс виден всю ночь.

В телескоп Марс кажется похожим на Землю: темная окраска поверхности, полярные шапки, наклонная ось вращения, сутки – 24,6 часа.

Главное отличие: Марс гораздо меньше (6794 км). Гравитация на его поверхности составляет только 38 % земной. Марс может удерживать только очень тонкую атмосферу, состоящую в основном из СO₂.

В то время как Меркурий и Венера не имеют естественных спутников, а у Земли он один, Марс имеет два: Фобос (27 км) и Деймос (15 км), открытые в 1877.

В 1972 Маринер-9 создавал карту Марса с орбиты, открывая огромные каньоны, гигантские вулканы, сухие русла рек, отливные каналы и поля дюн.

Долины Маринера (длиной 4000 км, 6 км глубиной) – крупнейший в Солнечной системе каньон. Гора Олимп[6]6
  Гора Олимп (лат. Olympus Mons) – потухший вулкан на Марсе, расположенный в провинции Фарсида, самая высокая гора в Солнечной системе. Назван по имени горы Олимп в Греции, на которой, согласно мифам, обитали боги-олимпийцы.


[Закрыть] (500 км в поперечнике и 25 км в высоту) является самой высокой горой.

Температура поверхности Марса колеблется между +10 и –80 °C. Большая часть планеты – каменистая пустыня, холодная и сухая, захлестываемая глобальными пыльными бурями.

Красный цвет Марс имеет из-за ржавчины (оксида железа). Первые цветные изображения поверхности были получены двумя спускаемыми аппаратами Викинг в 1976.

Многие орбитальные аппараты изучали Красную планету. Некоторые работают до сих пор: Орбитальный аппарат разведки Марса (Mars Reconnaissance Orbiter), Марс Одиссей (Mars Odyssey) (оба НАСА) и Марс Экспресс (Mars Express) (ЕКА).

Исследования проводили и марсоходы. Воодушевление (Spirit) и Возможность (Opportunity) сели на Марс в начале 2004. Воодушевление по-прежнему работает. Они обнаружили доказательства существования океанов и рек на этой планете в прошлом.

Люди на Марсе – это несбыточная мечта. Более скромные цели: доставить породы с Марса на Землю, где они могут быть исследованы на наличие ископаемых микроорганизмов.

50. Почему Венера, Земля и Марс так различны?

Венера ближе к Солнцу, чем Земля; Марс – дальше и меньше Венеры. Но, с точки зрения геологии, эти три планеты не слишком различаются между собой.

Сразу после возникновения все они, вероятно, имели мягкие температуры, поверхностную воду и довольно толстый слой атмосферы с метаном и аммиаком.

Сегодня Венера, Земля и Марс очень отличаются. Венера – кипящая и сухая. Марс замерз. Одна только Земля осталась пригодной для жизни.

Вулканическая деятельность молодой Венеры произвела СO₂. Поверхностная температура поднялась из-за удерживающего тепло парникового эффекта; океаны начали испаряться.

Водяной пар усилил парниковый эффект. Вся жидкость выкипела. УФ излучение Солнца разрушило молекулы воды в атмосфере.

Выделившийся водород улетучился в космос – кислород оказался связанным с твердой поверхностью. Из-за отсутствия круговорота вода ушла, продолжилось накопление СO₂ в атмосфере.

Если бы у Венеры была тектоника плит, как у Земли, то содержащие углерод скалы частично переработали бы его. Таким образом, нарастание СO₂ могло бы замедлиться.

Однако отсутствие смазывающей воды, возможно, остановило тектонику плит на Венере. Это, а также близость к Солнцу, обусловило адскую судьбу планеты.

По контрасту, Марс, будучи меньше Земли, потерял свое тепло быстрее. Как только его внутренность затвердела, он умер геологически, и его поверхность замерзла.

Не имеющая вулканов, выбрасывающих парниковый газ СO₂, планета потеряла свое покрывало, удерживающее тепло. Температура упала. Вода замерзла.

Не имеющая защитного магнитного поля и удерживаемая только слабой гравитацией тонкая атмосфера Марса была унесена солнечным ветром.

Если бы Марс был больше (горячее, с более сильной гравитацией) или имел орбиту ближе к Солнцу, он мог бы избежать своей холодной судьбы.

Если бы Земля была ближе к Солнцу, она могла бы вскипеть и высохнуть, как Венера. Если бы Земля была намного меньше, она бы замерзла и потеряла атмосферу, как Марс.

На примере Венеры мы видим, что избыток СO₂ делает планету очень горячей. Марс показывает, что слишком малое количество СO₂ делает его очень холодным. Обе планеты как будто предупреждают нас.

На Земле все «в самый раз» для существования воды и жизни. Нам, в самом деле, повезло жить на «планете Златовласке».

51. Есть ли вода на Марсе?

Ее много. Но она вся замерзшая. Большая часть воды запасена в подземных льдах в высоких широтах. Полярные шапки также содержат большое количество льда.

В конце XIX в. Джованни Скиапарелли обнаружил прямые линии на Марсе. Их назвали по-итальянски canali, что значит каналы, или channels (англ.). Впоследствии это слово трансформировалось в canals.

Персиваль Лоуэлл думал, что это были искусственные водные пути, построенные марсианами для орошения сухих экваториальных областей водой из полярных шапок.

Марсианские каналы – это зрительная иллюзия. Тем не менее позже космические зонды нашли сухие стоки и оттоки каналов, указывающие на существование в древности воды на Марсе.

Орбитальный аппарат НАСА Викинг подтвердил существование воды на Марсе. Полярные шапки в основном состоят из замерзшего СO₂, но они также содержат значительное количество замерзшей воды.

Подземные льды, возможно, являющиеся вечной мерзлотой, были обнаружены на Марсе Одиссеем (данные нейтронного спектрометра) и Марс Экспрессом (измерения с помощью радаров).

Посадочный модуль Феникс обнаружил подповерхностный лед, приземлившись в арктическом регионе. Остается вопрос: была ли на Марсе когда-нибудь жидкая вода?

Каналы и другие связанные с реками особенности поверхности Марса говорят нам о том, что это было несколько млрд лет назад, когда атмосфера была толще и планета теплее.

На самом деле, минералы, сформировавшиеся в воде и найденные вездеходом Возможность (Opportunity), подтверждают, что в далеком прошлом на Марсе были озера и моря.

Когда-то Марс был водный, с обширным океаном, покрывающим большую часть низменностей северного полушария. Это могло выглядеть так, как на Земле.

Обводненности оврагов на внутренних склонах кратеров свидетельствуют о том, что даже сегодня подповерхностный лед иногда может таять и течь по поверхности.

К сожалению, атмосферное давление Марса составляет лишь 0,7 % земного, поэтому любая вода, появившаяся на поверхности, будет мгновенно испаряться.