Семья Солнца. Солнечная система

Солнечная система - это, прежде всего звезда Солнце и девять планет, обращающихся вокруг него. В порядке расстояний от светила, они располагаются следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Три последние планеты с Земли можно наблюдать только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности.

Солнце служит центром притяжения не только для девяти больших планет, но и для десятков (а возможно, и сотен) тысяч различных космических тел: планетных спутников, астероидов, комет, а также метеоритов, частиц газопылевой материи, рассеянных атомов различных химических элементов, потоков атомных частиц и т. д.

Солнечная система, таким образом, весьма сложное образование, ряд закономерностей которого стал доступен для изучения лишь в последние десятилетия. Огромную роль в их исследовании приобретает сейчас космонавтика - наиболее мощное и перспективное средство познания Вселенной.

Один из центральных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы, - проблема ее происхождения. Как возникла семья небесных тел, обращающихся вокруг Солнца? Ответ на этот вопрос имеет не только важное естественнонаучное, но и мировоззренческое, философское значение. На протяжении веков ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной. Нередко их представления были в той или иной степени связаны с господствовавшими религиозными воззрениями. Но еще в глубокой древности зародилась мысль, что мир не был создан никем из богов. Он всегда существовал и будет существовать. Одни миры возникают, развиваются, другие - разрушаются и умирают. Земля, как и другие миры, сформировалась в результате естественных причин.

Однако такие гениальные догадки настолько опережали эпоху, что не могли быть восприняты современниками. В споре о путях происхождения и развития Земли и планет столкнулись два прямо противоположных и непримиримых суждения о том, что лежит в основе мироздания - дух или вечно существующая материя? Создан ли мир богом, или он существует вечно?

В отличие от идеалистов, утверждающих первичность духа и считающих мир продуктом творения бога, материалисты признают первичность материи. Подтверждая свои выводы практикой исследований и наблюдений, основываясь на повседневном опыте, материалисты доказывают, что все небесные тела, в том числе Земля и планеты, могли возникнуть лишь из других форм материи, то есть, сформировались естественным путем. В наше время все сколько-нибудь значительные космогонические гипотезы являются последовательно материалистическими.

Важной закономерностью является то, что все планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) и почти по круговым орбитам.

По своим физическим характеристикам планеты образуют две различные группы, отличающиеся размерами, плотностью, химическим составом планет. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы - Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается высокой плотностью: в среднем около 5, 5 г/см3, что в 5, 5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера - 318. Все планеты этой группы сравнительно быстро вращаются вокруг своей оси. Сутки на Нептуне длятся, например, 15 часов 48 минут, а на Юпитере - всего 9 часов 50 минут. Состоят планеты - гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета - Плутон, - открытая в марте 1930 года. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно астрономам удалось обнаружить, что Плутон - двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс. Плутон необычен и в другом отношении. В то время как орбиты всех остальных планет лежат приблизительно в одной плоскости, плоскость орбиты Плутона наклонена к ней под углом около 17 градусов.

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Наиболее последовательно такая точка зрения проведена в работах советского ученого академика О. Ю. Шмидта.

В основе теории О. Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако вначале состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Однако беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным обращением облака вокруг Солнца.

Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого «критического» значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобрели почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединили к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжении миллиардов лет.

Таким образом, почти круговые орбиты планет явились результатом осреднения орбит тел, объединившихся в планеты. Деление планет на две группы связано с тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладали метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет - Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов.

Научная теория происхождения Солнечной системы подтверждается многочисленными наблюдениями. Однако сейчас еще нельзя сказать, что процесс образования планет досконально изучен.

Центральное тело нашей планетной системы - Солнце. Оно могучий источник энергии: ежесекундно наше светило излучает такое количество тепла, которого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда, окружающий земной шар, толщиной в тысячу километров.

Ученые давно задумывались над тем, каким образом Солнце восполняет запасы своей энергии, столь щедро излучаемой в мировое пространство. На первых порах наиболее естественным считалось предположение, что энергия нашего дневного светила не пополняется. Но в таком случае температура Солнца должна была бы заметно понижаться (по расчетам, на 2 процента в год), а следовательно, непрерывно уменьшалось бы количество тепла и света, получаемых Землей. Между тем измерения, проводившиеся на протяжении ряда лет на специальных горных станциях, говорят о том, что поток светового и теплового излучения Солнца практически не меняется. А это означает, что энергия нашего светила постоянно пополняется из какого-то источника.

В свое время высказывалось предположение, что таким источником может служить непрерывное сжатие Солнца, происходящее под действием сил тяготения. Так действительно могло бы происходить, но тогда источника тепла и света хватило бы всего на 20 миллионов лет. Между тем геологические данные убедительно свидетельствуют, что наша планета существует не менее 5 миллиардов лет. Возраст Солнца, следовательно, по крайней мере не ниже этой цифры.

В настоящее время можно считать доказанным, что в недрах Солнца при огромнейших температурах - порядка миллионов градусов - и чудовищных давлениях протекают так называемые термоядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии. Термоядерная реакция в недрах Солнца будет происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В настоящее время они составляют около 60% массы Солнца. Такого резерва должно хватить по меньшей мере на несколько десятков миллиардов лет. Следовательно, человечество на долгие времена обеспечено солнечным теплом и светом.

Наше Солнце - источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также корпускул - заряженных частиц вещества. Воздействие этих излучений на характер процессов в земной атмосфере было замечено уже много лет назад. Но изучение их по-настоящему началось лишь в последние годы. Хотя количество тепла и света, посылаемого на Землю Солнцем, на протяжении многих сотен миллионов лет остается постоянным, интенсивность его невидимых излучений значительно меняется: она зависит от уровня так называемой солнечной активности.

Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу - животный и растительный мир Земли, а также на человека.

Влияние солнечной активности на биологические процессы отмечалось многими исследователями. В конце прошлого столетия русский ученый Н. Шведов обнаружил связь между толщиной годичных колец у деревьев и циклами активности нашего дневного светила. Другие ученые установили связь между солнечной активностью и ростом морских кораллов, размножением рыб и грызунов, набегами саранчи.

Вернемся к нашим соседям по Солнечной системе. Начнем с ближайшего к нам небесного тела - естественного спутника Земли Луны.

Подобно тому, как наша Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна. Луна меньше Земли, ее поперечник составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать атмосферу, по той же причине не может быть на ее поверхности и воды. Открытые водоемы быстро испарились бы, а водяной пар улетучился бы в космос.

Поверхность Луны весьма неровная: она покрыта горными хребтами, кольцевыми горами - кратерами и темными пятнами равнинных областей, называемых морями. Однако и в морях расположено много мелких кратеров. Длительное воздействие разнообразных внешних факторов привело к тому, что на поверхности Луны образовался рыхлый слой, покрывающий основную породу - риголит, состоящий из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы. Толщина его в разных районах колеблется от нескольких миллиметров до нескольких метров. Что касается лавы, заполняющей лунные бассейны, то она имеет внутреннее происхождение, и не могла образоваться в результате метеорных ударов. Но такие удары, возможно, вызвали нарушения лунной коры, открыв тем самым выход лавовым потокам на поверхность.

Для выяснения истории Луны очень важно знать возраст различных ее образований. С этой целью производилось определение возраста лунных пород, доставленных на Землю космическими аппаратами из различных районов лунной поверхности.

На основе имеющихся в настоящее время данных можно составить такую картину. В первые 500 миллионов лет происходило расплавление вещества Луны, хотя оно и не охватило всю массу сразу. К концу этого срока уже образовались континенты, а в период с 700 миллионов лет до 1, 2 миллиарда лет - моря. Как показывают исследования, проведенные с помощью космических аппаратов, примерно 95% пород, покрывающих лунную поверхность, прошли в свое время через магматическое состояние. Причем все это разновидности базальтов. Гранитов, часто встречающихся на Земле, на Луне нет совсем.

Ближайшая к Солнцу планета - Меркурий обладает, как и Плутон, наибольшей эллиптичностью своей орбиты, в результате чего расстояние от планеты до Солнца изменяется в пределах от 46 млн. до 70 млн. км. Среднее же расстояние от Солнца до Меркурия составляет 58 млн. км. - в 3 раза меньше, чем до Земли. Несмотря на значительную яркость, эта планета с трудом поддается наблюдению, так как никогда не удаляется от Солнца более чем на 28 градусов к западу или к востоку. Это приводит к тому, что она почти всегда «прячется» на светлом фоне утренней или вечерней зари. И все же «неуловимая» планета иногда дарит ученым возможность наблюдать ее в дневное время, когда она медленно проходит на фоне солнечного диска. Это редкое астрономическое явление наблюдалось, в частности, в ноябре 1973 года. Меркурий - наименьшая из всех планет, его диаметр - всего около 5000 км. В телескоп он наблюдается в виде серпика. Обладает массивным металлическим ядром, радиус которого составляет три четверти радиуса самой планеты. Его подсолнечная сторона нагревается до 300 - 420 градусов С0 на ночной стороне мороз достигает минус 70 градусов С0. У Меркурия обнаружено магнитное поле, существование которого, по всей вероятности, связано с процессами, происходящими в его ядре.

Вторая от Солнца планета - Венера, ближайшая наша соседка: при ее наибольшем сближении с Землей нас разделяет всего около 40 млн. км. Орбита Венеры отдалена от дневного светила на 108 млн. км. Энергетический «паек» этой планеты в 2, 5 раза превышает земной. За 225 земных суток Венера совершает полный оборот вокруг Солнца. Скорость ее движения по орбите - около 35 км/сек.

Наличие атмосферы и почти одинаковые с Землей размеры и масса долгое время позволяли ученым считать Венеру «близнецом» нашей планеты. Но исследования, последних лет заставили ученых решительно отказаться от такого взгляда. Главное отличие Венеры от Земли - особенность ее суточного вращения. Оказалось, что сутки на этой планете, подобно Меркурию, длиннее ее года: оборот Венеры вокруг оси длится дольше, чем обращение вокруг Солнца, и совершается в обратном направлении, чем у других планет земной группы. Период вращения относительно звезд составляет около 244 земных суток. Ось вращения практически перпендикулярна к плоскости орбиты. Это значит, что на Венере не происходит смены времен года.

Через каждые полтора года Венера сближается с Землей, причем в это время всегда бывает обращена к Земле одним и тем же участком поверхности. Ее поперечник всего на 600 км. меньше земного, а сила тяжести почти такая же, как и на Земле. Если доставить с Земли на Венеру килограммовую гирю, то там она будет весить 850 граммов. Поэтому нет ничего удивительного в том, что Венера окружена атмосферной оболочкой. В ней плавает густая непрозрачная пелена многокилометровой облачности, скрывающей от астрономических наблюдений поверхность планеты.

Надежные сведения о физических условиях на Венере удалось получить лишь тогда, когда к облачной планете полетели автоматические космические станции. Оказалось, что условия на Венере очень сильно отличаются от земных. Температура у поверхности составляет около 500 градусов С0, а давление достигает почти 100 атмосфер. Это значит, что на каждый квадратный сантиметр здесь давит столб газа весом в 100 кг. Облачность Венеры на высотах порядка 49-70 км состоит из капель концентрированной серной кислоты. А атмосферная оболочка планеты состоит на 95-96% из углекислого газа. На высоте около 50 км в ней обнаружены в очень большом количестве частицы серы, а несколько ниже - частицы хлора.

Вообще же рельеф поверхности Венеры заметно отличается от рельефа поверхности Земли. Большую часть занимают холмистые равнины. Возвышенности же, подобные земным континентам, в общей сложности занимают площадь, сравнимую с площадью Австралии. Некоторые из этих возвышенностей похожи на земные вулканические массивы.

Земля - третья планета от Солнца. Она удалена от него на расстояние 150 млн. км. Это расстояние в астрономии принято употреблять в качестве единицы длины для измерения расстояния между телами Солнечной системы. Точное значение этой единицы составляет 149 597 892 ± 1, 5 км. Вследствие небольшой эллиптичности орбиты расстояние от Земли до Солнца изменяется в пределах около 5 млн. км.

Полный оборот по орбите Земля завершает за 365, 25 суток, двигаясь вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек. Находясь на Земле, мы сами принимаем участие в этом движении, совершенно не ощущая его. Годовое движение Земли вокруг Солнца и суточное - вокруг оси - главные движения нашей планеты. Всего Земля совершает не менее 14 движений в космическом пространстве. Среди них такие значительные, как поступательное движение, совершаемое вместе с Солнцем и другими планетами со скоростью 20 км/сек по направлению к созвездию Геркулеса, и участие в общем обращении Солнца и звезд вокруг центра нашей звездной системы - Галактики.

Ось суточного вращения Земли наклонена к плоскости орбиты на 66 градусов 5 минут и направлена северным концом в точку на небесной сфере, расположенную рядом со звездой Альфа в созвездии Малой Медведицы. Эта звезда, называемая Полярной, является центром вращения небесной сферы.

Своим притяжением Земля удерживает вокруг себя атмосферу, состоящую в основном из азота и кислорода. В качестве примесей в ее состав входят аргон и углекислый газ. Существенной особенностью нашей планеты является обилие воды: площадь морей и океанов составляет примерно три пятых земной поверхности. Вода и водяные пары в атмосфере играют огромную роль в протекании различных геофизических и биологических процессов на Земле.

Земной шар окружает магнитное поле, играющее роль ловушки для электрически заряженных частиц, приходящих из космоса. Далеко за пределами атмосферы Земля опоясана облаками частиц высоких энергий, образующих пояса радиации. Эти пояса защищают нашу планету от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

Следующая планета - Марс, орбита которого удалена от Солнца на 227 млн. км. Он получает от Солнца значительно меньше света и тепла, чем Земля. Средняя температура на Марсе колеблется от +30 до -80 градусов. В полярных зонах планеты зарегистрирована температура около -130 градусов.

Скорость движения Марса по орбите - 24 км/сек. Полный оборот вокруг Солнца он завершает за 687 земных суток - марсианский год почти в 2 раза длиннее земного. Из-за наклона оси вращения на Марсе, так же как и на Земле, происходит смена времен года. Сутки там всего на 37 минут длиннее земных. Поперечник планеты - 6780 км., а масса почти в 10 раз меньше земной. Поэтому сила тяжести на Марсе в 2, 5 раза меньше, чем на Земле.

На некоторых участках Марса обнаружены горные хребты, вулканические конусы и купола. В иных местах видны глубокие каньоны с изрезанными краями. Встречаются также хаотические нагромождения каменных обломков. Есть на Марсе и горы, относительно вулканической природы, которых нет никаких сомнений. Самая большая из них - гора Снега Олимпа высотой около 27 км. Для сравнения достаточно напомнить, что высочайшая горная вершина Земли Эверест не достигает и 9 км. Когда в 1971 году на Марсе бушевала сильнейшая пылевая буря, то конус Снегов Олимпа возвышался над пылевой пеленой. Наличие на Марсе столь высоких гор вулканического происхождения свидетельствует о большой мощи вулканических процессов, благодаря которым на поверхность планеты изливались огромные массы вещества.

Значительная часть поверхности Марса - это сухие пустынные районы, покрытые красноватым грунтом и большим количеством камней. Благодаря этому Марс и выделяется среди других планет своим характерным красноватым цветом. Жидкой воды на Марсе нет. При тех физических условиях, которые существуют на этой планете, вода на ее поверхности может находиться только в твердом состоянии - в виде снега, льда или инея. Некоторые ученые считают также, что под поверхностью Марса имеется слой вечной мерзлоты.

У полюсов Марса расположены светлые пятна - полярные шапки, которые частично состоят из обычного водного льда, а частично из твердой углекислоты - «сухого льда». В весенние и летние периоды они испаряются и уменьшаются в размерах.

Газовая оболочка планеты в основном состоит из углекислого газа и сильно разрежена: атмосферное давление у поверхности приблизительно в 100 раз ниже, чем на Земле. В атмосфере Марса дуют сильные ветры, время от времени они поднимают пылевые частицы с поверхности планеты, и тогда возникают пылевые бури, которые длятся от нескольких недель до нескольких месяцев и охватывают иногда целое полушарие.

Пятая по расстоянию планета от Солнца - гигант Юпитер. Он окружен мощной атмосферой, которая состоит главным образом из водорода. Гелий составляет по объему около 11 % газовой оболочки планеты. В верхних слоях атмосферы Юпитера расположен видимый внешний облачный покров, который состоит из капель и льдинок аммиака. В более глубоких слоях преобладает сернистокислый аммоний, а еще глубже - водяные капли. На глубине около тыс. км. начинается слой газожидкого водорода. Видимо, и вообще большая часть массы Юпитера находится в жидком состоянии. Лишь в самом центре планеты, возможно, расположено твердое ядро. По своим размерам оно в 1, 7 раза превосходит нашу Землю.

Устойчивая атмосферная циркуляция в экваториальной области приводит к тому, что облачные системы образуют характерную картину темных поясов и светлых зон, параллельных экватору планеты. Существуют в атмосфере Юпитера и устойчивые вихри, которые могут сохраняться до 100 тысяч лет. Одним из таких вихрей является знаменитое Красное Пятно, которое вдвое больше Земли. Период его собственного вращения близок к шести земным суткам.

Вследствие того, что облачные образования могут взаимодействовать друг с другом, в верхнем облачном слое планеты иногда возникают дыры, существующие до одного года. Сквозь эти дыры просматриваются более глубокие слои облачности.

У Юпитера обнаружены протяженная магнитосфера и радиационные пояса, напоминающие радиационные пояса Земли, но во много раз превосходящие их по своим размерам.

Хотя планеты - гиганты состоят из водорода и гелия, их многочисленные спутники являются телами земного типа. И как показали исследования с борта космических аппаратов, они подобно Луне или Меркурию также подвергались в свое время интенсивной метеоритной бомбардировке. Следы метеоритных ударов видны на поверхности третьего спутника Юпитера - Ганимеда и особенно четвертого - Каллисто. Оба эти спутника покрыты толстым ледяным панцирем. И поэтому кратерные образования на них имеют значительно более светлую окраску, чем кольцевые структуры на Луне.

Следующая за Юпитером планета Сатурн выделяется среди всех планет Солнечной системы своим необычным видом. Она окружена удивительным и необычайно красивым образованием - кольцами, состоящими главным образом из множества мелких ледяных частиц и ледяных глыб размером до нескольких десятков метров, обращающихся вокруг основного тела планеты.

На протяжении длительного времени кольца Сатурна считались уникальным образованием в семье планет. Однако несколько лет назад оптическими и радиоастрономическими наблюдениями система колец была обнаружена и вокруг седьмой планеты Солнечной системы - Урана. А спустя еще некоторое время космическая станция «Вояджер-1» зарегистрировала наличие слабого кольца и у планеты Юпитер.

Но поистине сенсационным было другое. Оказалось, что Сатурн окружен не шестью-семью широкими кольцами, а несколькими сотнями концентрических узких колец. По оценкам специалистов, их число составляет от 500 до 1000. На фотографиях видно, что эти узкие кольца, в свою очередь, распадаются на еще более тонкие «колечки» или «пряди».

B Coлнeчной системе есть и много малых планет - астероидов. Несмотря на свою многочисленность, они в общей сумме не превышают одной тысячной доли массы земного шара. Самая крупная из малых планет - Церера имеет поперечник около 1000 км. Большинство же других астероидов - это каменные бесформенные глыбы поперечником в несколько тысяч, даже сотен метров. Громадное количество астероидов движется в зоне, ограниченной орбитами Марса и Юпитера. Ее так и называют - «пояс астероидов». Однако некоторые из них, нарушая общий порядок, «смело» подходят к планетам, движущимся вне этой зоны, в том числе к Земле.

Наиболее эфемерными космическими телами, входящими в состав Солнечной системы, являются кометы, движущиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим орбитам. Имея незначительную массу, они ничем не обнаруживают себя, когда находятся вдали от Солнца. Но по мере приближения к нему твердое ядро кометы, состоящее из каменных и металлических тел, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов, начинает испаряться, образуя огромный газовый шлейф - хвост, достигающий длины сотен миллионов километров.