Текст книги "Космос"

Сергей Афонькин
Космос

Составитель серии «Узнай мир» В. А. Карачев

Иллюстрации Е. В. Доведовой

Загадка звездного неба

Веками люди вглядывались в ночное небо, пытаясь понять, что скрыто в его бездонной черноте. Многие народы представляли себе небеса огромной непрозрачной сферой, которая покрывает плоскую землю, словно гигантский колпак. За ним пылает яростный космический огонь, отблески которого видны ночью сквозь крошечные отверстия – звезды. Любопытно, что маленькие дети порой воображают себе небо именно таким. Как и нашим далеким предкам, им еще не хватает знаний, чтобы составить более верную картину мира.

Жители северных широт нередко наблюдают Полярное сияние

Люди, жившие тысячи лет назад, были прекрасными наблюдателями. Они замечали, что каждая звезда всегда появляется из-за горизонта в одном и том же месте, а Солнце и Луна периодически меняют точки своего восхода и заката. Изучая ход небесных светил, можно было измерять время – вести счет месяцам и годам, определять день посева или начало отела скота. Так возникла древняя наука астрономия (греч. aster, astron – «звезда», «светило»; nomos – «закон», «правило»).

Уже за сотни лет до нашей эры люди каменного века строили первые обсерватории (лат. observare – «наблюдать»), которые служили им и часами, и календарем. Такие древние «наблюдательные пункты» существуют в Европе, Азии, Америке и Африке. Они сложены из огромных камней – мегалитов (греч. megas, megalos – «большой», lithos – «камень»). Самая знаменитая каменная обсерватория древних людей – Стоунхендж – расположена в Южной Англии. Она состоит из 30 обтесанных вертикальных камней высотой около 5,5 м каждый, образующих круг диаметром почти 30 м. Строительство этого величественного сооружения началось в XVIII веке до нашей эры. С помощью гигантского каменного «компаса», Стоунхенджа, люди каменного века измеряли время, однако мы не знаем, что они думали о причинах движения звезд и светил.

Стоунхендж

Недостаток точных знаний часто порождает легенды. Жители Древней Греции объясняли движение Солнца и Луны по небу с помощью мифов. Согласно их верованиям, одним из детей бога неба Урана и богини земли Геи был титан Гипперион. Все тайны неба успел поведать ему Уран, прежде чем был свергнут своим младшим сыном Кроном. Вскоре в результате битвы титанов с богами-олимпийцами Гипперион оказался в подземной темнице Тартар. На свободе остались лишь трое его детей – сын Гелиос и две дочери, Селена и Эос. С позволения победившего титанов Зевса они поделили между собой все доставшееся им в наследство обширное небесное хозяйство. Гелиос и Селена договорились поочередно объезжать небосклон. Гелиос обещал делать это днем, Селена – ночью. Эос же стала помогать им при смене дежурства на заре. С тех пор Гелиос каждый день проезжает по небу на своей колеснице, запряженной четверкой огненных коней. Ночью он возвращается в золотой чаше по морю домой, где его ждут сестры. С высоты небесной дороги Гелиосу видно все, что происходит на земле и на Олимпе.

Вид на Луну и Землю с орбитального спутника Земли

Однако настоящие мыслители всегда отвергали мифологическое объяснение устройства Вселенной. Уже в конце VI – начале V веков до нашей эры древнегреческие философы Пифагор и Парменид пришли к заключению, что Земля имеет форму шара. Ученым того времени было хорошо известно, что некоторые звезды двигаются по небу, меняя в течение ночи свое положение среди созвездий. К тому же Луна и Солнце также проходят свой собственный путь по небосводу. В IV веке до нашей эры для объяснения этих явлений древнегреческий ученый Евдокс предположил существование нескольких «небесных сфер», вложенных одна в другую наподобие матрешек. На каждой сфере, вращавшейся независимо от остальных, были «закреплены» свои небесные тела.

Пифагор

Парменид

Такие воззрения сохранялись довольно долго. Греческий астроном Клавдий Птолемей, живший во II веке нашей эры в Александрии, считал, что такие сферы расположены вокруг шарообразной Земли, которая находится в центре Вселенной. Именно поэтому строение неба по Птолемею называют геоцентрической системой (греч. ge – «Земля», лат. centrum, – «середина», «центр»).

Птолемей

Николай Коперник

Лишь в 1543 г. польский математик и астроном Николай Коперник в своей книге «Об обращениях небесных сфер» предложил иной взгляд на мир. Он считал, что Земля и остальные планеты («подвижные звезды») двигаются вокруг Солнца. Справедливость его гелиоцентрической системы (греч. helios – «Солнце») подтвердило время. Теперь мы знаем, что наше Солнце является звездой, одной из миллионов других звезд во Вселенной. Иными словами, Солнце – ближайшая к нашей планете звезда. Оно источник жизни на нашей планете и причина самых разных явлений – от полярных сияний до магнитных бурь. Давайте познакомимся с ним поближе.

Звезда по имени Солнце

Почему светит Солнце?

Солнце является единственным источником энергии, которая поступает к нашей планете из космического пространства. Каждую секунду на поверхность Земли Солнце изливает энергию, для выработки которой потребовалось бы 150 миллионов мощных электростанций. Откуда берется этот невообразимый океан солнечной энергии, который не иссякает сотни миллионов лет?

Наша жизнь на Земле зависит от звезды по имени Солнце

Гигантский шар Солнца состоит в основном из двух самых легких газов – водорода и гелия. Быть может, солнечная энергия возникает благодаря их горению? Гелий гореть не может. Он относится к так называемым инертным газам, то есть не реагирует с большинством других веществ. Водород гореть может. Более того, в смеси с газом кислородом он образует гремучий газ, который сгорает так быстро, что получается настоящий взрыв! Однако на Солнце кислорода нет. К тому же температура горения смеси водорода и кислорода не превышает 2800 °C, поверхность же Солнца раскалена до 5800 °C. По оценкам ученых, температура в центре Солнца должна достигать 15 миллионов градусов. Такой жар не может обеспечить ни одно топливо на свете!

Снимок Солнца, сделанный в рентгеновских лучах

Солнечная энергия не является результатом горения. Она образуется в процессе термоядерного синтеза. Хорошо известно, что все вещества состоят из крошечных атомов. Их строение в чем-то похоже на устройство нашей Солнечной системы. В центре атома находится ядро, вокруг которого на большом расстоянии расположены орбиты заряженных частиц – электронов. Под воздействием чудовищного давления в центре Солнца атомы водорода настолько сближаются, что их ядра начинают соединяться друг с другом. В результате из четырех водородных ядер получается (синтезируется) одно ядро гелия. При этом выделяется огромное количество энергии! Иначе говоря, Солнце светит благодаря тому, что в его недрах каждую секунду 584 миллиона тонн водорода превращается в 560 миллионов тонн гелия.

Если людям на Земле удастся воспроизвести термоядерный синтез, в их руках зажжется маленькое солнце! Беда в том, что в земных условиях очень трудно создать давление и температуру, которые нужны для начала удивительного процесса превращения водорода в гелий. Пока термоядерный синтез удается осуществить только при взрыве водородной бомбы. Он происходит как бы в два этапа. Сначала срабатывает обычный ядерный заряд. В результате на доли секунды температура и давление в очень маленьком объеме становятся такими же, как и в центре Солнца. Только тогда ядра водорода начинают превращаться в ядра гелия, и в результате выделяется чудовищная энергия, все сметающая на своем пути. Впервые водородная бомба была взорвана 1 ноября 1952 года в Тихом океане. В этот момент на мгновение над затерявшимся в безбрежном океаническом просторе атоллом Эниветок вспыхнуло рукотворное светило. Однако его энергия несла с собой только уничтожение.

Строение Солнца:

1 – геливое ядро; 2 – водородный слой; 3 – фотосфера; 4 – хромосфера, 5 – солнечные пятна; 6 – протуберанец

Наше Солнце – это термоядерный взрыв, который длится вот уже несколько миллиардов лет. Благодаря крохам его энергии, долетающим до Земли, на нашей планете существует жизнь.

Солнце – гигантский газовый шар. Его масса в 330 тысяч раз больше массы Земли. Диаметр Солнца составляет почти 1,4 миллиона километров. Поэтому потоки энергии, образовавшейся в центре Солнца благодаря термоядерному синтезу, достигают его поверхности через миллионы лет. Поверхность нашего светила напоминает суп, кипящий в глубокой кастрюле. Из его недр постоянно поднимаются гигантские потоки газа, нагретого почти до 6 тысяч градусов. Диаметр таких «газовых столбов» достигает 20–50 тысяч километров. Между ними могут располагаться чуть менее нагретые области с температурой около 4300 °C. На более ярком фоне наблюдателю с Земли они кажутся темными пятнами. Внешняя излучающая поверхность Солнца называется хромосферой (греч. chroma – «цвет»). Ее толщина составляет 7–8 тыс. км. Под ней находится фотосфера (греч. photos – «свет»). Поверхность Солнца можно увидеть, если посмотреть на него через закопченное стекло (смотреть на Солнце без защиты нельзя – можно повредить зрение и обжечь глаза). Выше фотосферы и хромосферы располагается разряженная солнечная корона, которая видна только во время солнечных затмений. С помощью телескопов со специальными фильтрами на поверхности Солнца можно наблюдать огромные факелы раскаленного газа – протуберанцы. Высота некоторых из них достигает десятков и даже сотен тысяч километров.

Протуберанец

Видимый свет несет лишь часть энергии, которая долетает от Солнца до Земли. Глаз человека не воспринимает ни инфракрасные, ни ультрафиолетовые солнечные лучи. Раскаленный докрасна шар скоро перестает светиться, но он еще долго остается горячим, испуская невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Ультрафиолетовые лучи гораздо более опасны. От ультрафиолетовой радиации Солнца нас защищает слой газа озона, расположенный на высоте 20–25 км над поверхностью Земли.

Изменение магнитной оболочки Земли под воздействием солнечного ветра

Поверхность Солнца испускает огромное количество заряженных частиц – атомных ядер и электронов. Ученые называют их поток солнечным ветром. От этого опасного излучения нас защищает магнитное поле Земли. Под воздействием этого поля несущиеся от Солнца заряженные частицы отклоняются от своего пути и как бы обтекают нашу планету. Отдельные вспышки излучения Солнца приводят к увеличению интенсивности солнечного ветра. Это явление порождает на Земле магнитные бури и полярные сияния.

Солнце на небе

Наша планета вращается, словно гигантская раскрученная юла. Одновременно она совершает свой годовой путь вокруг Солнца, двигаясь по воображаемой линии – орбите (лат. orbita – «колея», «дорога»). Мы не ощущаем этого перемещения Земли в пространстве и видим то же, что и наши далекие предки: каждое утро оранжевое Солнце поднимается из-за горизонта на востоке и, прокатившись по небосводу белым раскаленным диском, разливает на западе багровые краски заката.

Такой видят Землю космонавты

Положение Солнца на небе зависит от времени года. В разгар зимы оно лениво прокатывается по небу, показываясь из-за горизонта всего на треть суток. Поздний зимний рассвет быстро сменяется ранними сумерками. Зато летом Солнце взлетает высоко вверх и совершает долгий путь, который длится порой до 16 часов. Такие различия видимого перемещения Солнца по небу в разные сезоны года возникают благодаря наклону земной оси. Эта воображаемая линия соединяет Северный и Южный полюса нашей планеты, иными словами – ее самую северную и самую южную точки. Проткните апельсин с помощью спицы и начните крутить его вокруг этой оси – получите модель вращения нашей планеты. Чтобы картинка была более точной, спицу надо немного наклонить. Не случайно ось вращения школьных глобусов тоже располагается не строго вертикально.

Наклон земной оси вызывает смену времен года

Орбита Земли, двигающейся вокруг Солнца, не является идеальным кругом. Она слегка вытянута, то есть представляет собой эллипс. Это означает, что дважды в году Земля находится чуть ближе к Солнцу и дважды – чуть дальше. Можно подумать, что приближение к Солнцу и отдаление от него и вызывает смену времен года на нашей планете. Однако это не так. Причиной наступления зимы или лета является все тот же наклон земной оси.

Во время движения Земли по околосолнечной орбите этот наклон не меняется. В результате на одной части своей траектории наша планета больше повернута к Солнцу своей нижней половинкой (Южным полушарием). На другом отрезке пути больше солнечной энергии получает верхняя часть земного шара (Северное полушарие). Представьте себе, что вы греетесь у костра, наклонившись к огню и протянув к нему руки. Не меняя положения тела, обойдите костер и встаньте с другой его стороны. Теперь греться будут ноги и задняя часть туловища. Примерно такая же ситуация происходит и с нашей планетой во время ее движения вокруг Солнца. Если бы смена времен года зависела от расстояния, которое отделяет нашу планету от Солнца, тогда зима и лето наступали бы дважды в течение года.

Солнечное затмение

Моменты, когда высота Солнца над горизонтом в полдень максимальна или минимальна, называют солнцестояниями. Летнее солнцестояние приходится на 21–22 июня. Именно в это время день длится дольше всего. Самый короткий день – во время зимнего солнцестояния, 21–22 декабря. Весной, 20–21 марта, и осенью, 23 сентября, наступают моменты равноденствия, когда продолжительность дня равна продолжительности ночи.

Во время вращения Земли вокруг своей оси и по солнечной орбите иногда возникают моменты, когда диск Солнца полностью закрывается Луной. Дневной свет меркнет, ненадолго наступают сумерки, а на небе становятся видны звезды. Если лунный диск перекрывает Солнце лишь своим краем, говорят о частичном солнечном затмении. Лунная тень образует на поверхности Земли пятно диаметром около 100 км. Поэтому полное солнечное затмение видно не в любой точке земной поверхности. Благодаря вращению Земли вокруг своей оси лунная тень скользит по Земле, образуя длинную полосу. Последний раз полное солнечное затмение на территории России произошло 9 марта 2016 г.

Энергия Солнца и человек

Электроэнергию, которую люди потребляют в своих квартирах, обычно измеряют в киловатт-часах. Ежемесячно каждый житель развитых стран тратит на свои нужды несколько сотен киловатт-часов, регулярно оплачивая эти расходы. Между тем наша планета ежесекундно и совершенно бесплатно получает около 50 миллиардов киловатт-часов солнечной энергии! Ученые подсчитали, что для удовлетворения всех энергетических нужд человечеству хватило бы и десятитысячной доли от этого энергетического потока. К сожалению, пока даже самые современные технологии не позволяют людям в полной мере использовать даровую солнечную энергию в необходимых объемах. Пока лидерами ее потребления на нашей планете являются растения. Животные не могут ее использовать для поддержания собственной жизни.

Этот шар – источник огромной энергии

Лежащий на пляже человек загорит, нагреется и проголодается. Он никогда не сможет жить только благодаря солнечной энергии. Растения обладают этой удивительной способностью благодаря особому веществу – хлорофиллу (греч. chloros – «зеленый», phylum – «лист»). С его помощью из молекул углекислого газа они производят разновидность сахара – глюкозу (греч. glykys – «сладкий»). Такой процесс называется фотосинтезом (греч. photos – «свет», synthesis – «соединение»), то есть соединением (синтезом) простых веществ в более сложные под воздействием солнечной энергии. Другими словами, с помощью солнечной энергии растения производят пищу буквально из воздуха!

Если задуматься, фотосинтез – фантастический и таинственный процесс! Представь, что люди создадут небольшой домашний прибор, способный осуществлять фотосинтез. В электрическую розетку прибор включать не надо. Он будет улавливать лучи Солнца с помощью солнечных батарей. Углекислый газ специально подводить тоже не надо – его хватает в окружающем воздухе. В одно отверстие такого прибора будет ежедневно наливаться вода, поскольку она необходима для фотосинтеза, а из другого будет высыпаться сахарный песок. Звучит невероятно! Люди такой фокус пока проделать не могут, а вот растения совершают его каждую минуту, улавливая солнечные лучи.

Благодаря фотосинтезу растения каждый год не только создают миллиарды тонн питательных веществ, но и растут. Жар, которым пышут дрова в печке, – это энергия Солнца, которую когда-то запасли деревья для своих нужд. Каменный уголь образовался из древних растений. Его энергия также имеет «солнечное» происхождение. По мнению многих ученых, нефть и получаемый из нефти бензин своим происхождением обязаны нашему дневному светилу. Получается, что и автомобили двигает Солнце! Для работы гидроэлектростанций тоже нужно солнечное тепло. Попробуй сам объяснить, как в этом случае энергия Солнца превращается в электрический ток…

Растения существуют за счет энергии Солнца

В конце XX века люди стали разрабатывать приемы, позволяющие улавливать солнечную энергию. Пока «поймать» ее удается немного. Однако инженеры упорно стремятся создать эффективные солнечные батареи и панели, энергии которых хватило бы на более серьезные задачи. В первой трети XXI века только несколько процентов энергетических потребностей человечества будет удовлетворяться благодаря энергии Солнца, но в будущем эта доля многократно возрастет.

Со временем большинство домов будут строиться с крышами, способными накапливать солнечное излучение и превращать его в электрическую энергию. Человек научиться подражать растениям и станет синтезировать продукты из воды и воздуха. Автомобилям и самолетам не нужен будет бензин, а компьютеры не придется втыкать в электрическую розетку. Время этих чудес настанет, когда человечество в полной мере научится пользоваться ближайшим к нам источником космической энергии – звездой по имени Солнце.

Таинственное притяжение

Отчего Земля двигается вокруг Солнца по своей орбите? Отчего она не улетает от него в бездонную глубину космоса или не падает на наше светило? Это объясняется действием центробежной силы. Именно она заставляет отклоняться подвесные сиденья на вращающейся карусели. Под воздействием центробежной силы камень вылетает из раскрученной пращи («убегает» от ее центра). Эта сила тем больше, чем массивнее вращающееся тело и выше его скорость.

Невидимая сила притяжения удерживает планеты на орбитах

Именно центробежная сила не позволяет нашей планете упасть на Солнце. Однако что же играет роль веревки, удерживающей ее на орбите? Впервые ответить на этот вопрос смог в XVII веке знаменитый английский физик Исаак Ньютон. Согласно легенде, он однажды увидел падение яблока в саду. Из этого обычного явления Ньютон сделал гениальное обобщение, сформулировав закон всемирного тяготения. Не только Земля притягивает к себе яблоко. Все тела притягиваются друг к другу! Яблоко тоже воздействует на Землю. Однако сила этого притяжения так мала, что не оказывает практически никакого влияния на движение нашей массивной планеты.

Силу тяготения иначе называют силой гравитации (лат. gravitas – «тяжесть»). Чем массивнее тела, тем с большей силой они притягиваются друг к другу. Сила тяготения зависит и от расстояния между телами. Чем оно меньше, тем сильнее гравитация. Человек и стоящая перед ним на столе чашка притягиваются друг к другу. Поскольку массы этих двух тел невелики, человек не чувствует силы притяжения к чашке, а чашка никогда не сдвинется под воздействием этой силы со своего места. Иное дело Солнце и Земля.

Диаметр Солнца составляет более миллиона километров, а для того чтобы выразить его массу в миллионах тонн, потребуется цифра с двадцатью нулями. Неудивительно, что такое гигантское тело цепко удерживает нашу планету посредством силы притяжения. По сравнению с Солнцем наша планета обладает крошечной массой. Поэтому, хотя Земля и притягивает к себе Солнце, воздействие этой силы на небесное светило почти не сказывается.

Исаак Ньютон

Для того чтобы улететь с Земли в космическое пространство, необходимо преодолеть силу ее притяжения. Наша планета с помощью этой силы удерживает свою атмосферу. Газы, из которых состоит Солнце, притягиваются к центру светила, где возникает чудовищное давление. В результате начинается термоядерный синтез и выделяется гигантская энергия, которая может разорвать Солнце, как бомбу. Однако взрыва не происходит, поскольку силы притяжения постоянно стягивают внешние слои Солнца по направлению к его центру.

С гравитацией мы имеем дело в течение всей жизни. Вместе с тем, несмотря на распространенность и обыденность гравитации, она не становится от этого понятной. Действительно, с чего бы тела, никак не связанные друг с другом, должны друг друга притягивать?

Альберт Эйнштейн

Ответить на этот вопрос попытался великий физик XX века Альберт Эйнштейн. Он предположил, что любые тела меняют окружающее их пространство. Пусть у нас имеется большой кусок толстой резиновой пленки. Растянем ее, а в центр положим тяжелый железный шар. Он прогнет пленку, и вокруг него возникнет что-то вроде неглубокой лунки. Если теперь положить на край пленки маленький шарик, он покатится прямо в лунку, то есть будет «притягиваться» центральным шаром. Если катануть шарик по поверхности изогнутой пленки, придав ему некоторую начальную скорость, он может и не скатиться в лунку, а лишь изменит направление своего движения, прокатившись по ее краю. Именно так меняют траекторию своего движения быстро двигающиеся космические тела, попавшие в зону притяжения планет или Солнца.

Разумеется, это всего лишь наглядная модель идеи, которую предложил Альберт Эйнштейн. Мы не можем ни увидеть, ни почувствовать, как такие массивные тела, как Земля или Солнце, искривляют вокруг себя пространство. Однако движение небесных тел убедительно доказывает, что такое явление действительно существует. Массивное Солнце создает вокруг себя нечто вроде пространственной «лунки». Земля двигается по ее краю и не падает в нее благодаря центробежной силе.

С этой точки зрения пространство, в том числе космическое, – не просто пустота, в которой ничего нет. Физики, изучающие вакуум (лат. vacuum – «пустота»), утверждают, что это пространство имеет сложное строение и даже может порождать отдельные частицы, из которых состоят атомы.