Текст книги "Загадки мироздания"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 24 страниц)

Глава 14
АТМОСФЕРА ЛУНЫ

Сейчас, когда запущенные человеком космические аппараты приближаются к Луне, кружатся вокруг нее, опускаются на нее и мы готовимся к тому, чтобы высадить на Луну человека, нам полезна любая информация о Луне, какую мы только можем получить. Вот что мы можем сказать, к примеру, об атмосфере Луны?

Вы скажете, что на Луне нет атмосферы.

Да, действительно, ничего даже отдаленно напоминающего земную атмосферу на Луне нет. И все же что-то на ней присутствует. Она не может вообще не иметь атмосферы. Вот как это можно показать.

Земля состоит из двух радикально различающихся между собой частей (как яйцо, состоящее из центрального желтка и окружающего его белка). «Желтком» Земли является никелево-железное ядро, плотность которого примерно в десять раз больше плотности воды. Его окружает «белок» – силикатная кора, плотность которой мала – всего втрое больше плотности воды. Соответственно, средняя плотность Земли представляет собой значение среднее между этими двумя цифрами – в 5,5 больше плотности воды (или 5,5 грамма на кубический сантиметр).

Плотность Луны – 3,3 грамма на кубический сантиметр. Для того чтобы иметь настолько меньшую, чем Земля, плотность, Луна должна быть лишена какого-либо крупного ядра из железа и никеля и представлять собой практически сплошной силикат.

Логично предположить, что по химическим элементам состав Луны сходен с составом земных горных пород. И то и другое формировалось в одно и то же время и из одних и тех же материалов. Если в земной коре содержится 2 процента калия, то и от Луны (целиком) следует ожидать того же.

Масса Луны – 73 430 000 000 000 000 000 000 килограммов, то есть, грубо округляя, 80 квинтиллионов тонн. Масса лунного калия (в первом приближении) – 1 800 000 000 000 000 000 000 килограммов, или почти 2 квинтиллиона тонн.

Существует три вида атомов калия. Два из них, калий-39 и калий-41, составляют примерно 99 процентов от общих запасов калия. Однако 0,0119 процента от всего калия существует в виде редкого изотопа, калия-40, обладающего интересными свойствами. Общая масса калия-40 на Луне может составить 214 000 000 000 000 000 килограммов, или 214 триллионов тонн.

Необычное свойство калия-40 – это его радиоактивность. Период полураспада этого элемента – 1,3 миллиарда лет, что означает, что за такой срок половина существующих атомов калия-40 распадется. Большинство распадающихся атомов (точнее, 89 процентов) отдают один электрон и становятся стабильными атомами кальция-40. Однако ядро остальных 11 процентов, напротив, принимает электрон из окружающей среды, и эти атомы становятся, таким образом, стабильными атомами аргона-40.

Когда известен период полураспада радиоактивного вещества, легко подсчитать скорость его распада в единицу времени. На Луне каждую секунду распадается 3600 граммов калия-40, в результате чего каждую секунду образуется 3240 граммов кальция-40 и 360 граммов аргона-40.

Именно аргон-40 нас интересует в первую очередь, поскольку аргон – это газ, а значит, на Луне идет постоянный процесс образования собственной атмосферы. Да, 360 граммов – это немного, но это ведь только за одну секунду, а сколько их проходит, этих секунд…

Не стоит забывать, что раньше на Луне, как и везде, было больше калия-40 – 1,3 миллиарда лет назад его было вдвое больше, чем сейчас, а четыре миллиарда лет назад – в восемь раз больше.

Если подсчитать, сколько аргона было образовано за те четыре миллиарда лет, в течение которых Луна является твердым телом, с учетом того, что с самого начала калия-40 было в несколько раз больше, то получится, что всего за все это время было образовано 150 000 000 000 000 000 килограммов, или около 150 триллионов тонн аргона.

Для сравнения – это почти в три раза больше аргона, чем имеется в нашей собственной атмосфере (куда он попал и продолжает попадать точно таким же образом – формируясь из калия-40).

Если бы весь этот аргон сейчас присутствовал на поверхности Луны, на ней имелась бы сейчас атмосфера с массой равной 1/30 земной атмосферы. Кроме того, поскольку площадь поверхности Луны в шестнадцать раз меньше площади поверхности Земли, ее атмосфера имела бы при этом плотность всего в два раза меньше земной.

Однако, как нам хорошо известно, на Луне атмосферы нет. Что же случилось с производимым Луной аргоном?

Во-первых, калий-40 все же распределен по всей массе Луны. Аргон, образуемый во внешних слоях лунной почвы, еще может каким-то образом выбраться наружу, но, формируясь в более глубоких слоях, он оказывается в ловушке, из которой не в силах выбраться. (Аргона, вырабатываемого на Земле, это тоже касается. Общее количество аргона, замурованного в земной коре, как минимум в пять, а возможно, и в пятнадцать раз больше, чем аргона, имеющегося в атмосфере.)

Но ведь даже и 1/15 вырабатываемого на Луне аргона хватило бы, чтобы на ней сейчас существовала атмосфера плотностью 3 процента от земной, а этого мы не наблюдаем.

Действительно, есть и еще одна причина. Гравитационное поле Луны в шесть раз меньше, чем Земли. У него просто не хватает сил удержать вырабатываемый аргон. Луна теряет свой аргон почти с той же скоростью, с какой он просачивается наружу сквозь поры лунного грунта.

Почти с той же, но не совсем! На то, чтобы улетучиться с Луны, аргону требуется некоторое время, так что вблизи лунной поверхности всегда существует некоторое небольшое количество аргона.

На самом деле, наблюдая за радиоволнами, испускаемыми различными небесными телами, астрономы давно обратили внимание на свойства волн, которые по пути к Земле задевали Луну. Эти волны приходили в слегка искаженном виде, и было подсчитано, что причиной таких искажений может быть лунная атмосфера, состоящая из заряженных частиц и имеющая плотность в десять триллионов раз меньше, чем земная атмосфера.

Немного – но хоть что-то!

Глава 15
ЧЕЛОВЕК И СОЛНЦЕ

Древние люди обожествляли Солнце. Эхнатон, фараон Египта с 1375 по 1358 год до н. э., поклонялся Солнцу и написал ему хвалебный гимн, сохранившийся по сей день. Пятнадцать веков спустя, когда в Римской империи набирало силу христианство, его главным конкурентом был митраизм – культ Солнца.

И действительно, если уж какой-то неодушевленный предмет и заслуживает поклонения – то это Солнце! Благодаря ему на Земле происходит смена дня и ночи, послужившая первобытному человеку для получения представления о времени. Именно Солнце несет нам тепло и жизнь, и каждый рассвет люди встречали с радостью, поскольку свет снова и снова приносил им избавление от ужасов ночи. Если свет Солнца бледнел и тускнел, как, например, зимой, то вокруг сгущались лед и смерть. Неудивительно, что если солнечный диск вдруг что-то закрывало прямо посреди ясного дня, то всех, кто это видел, охватывала паника.

Современная наука с еще большей ясностью показала, насколько мы зависим от Солнца. Если не считать вулканического тепла и ядерных реакций, все используемые нами источники энергии восходят в конечном итоге к Солнцу. Океаны сохраняют жидкое состояние только благодаря солнечному теплу, а выпариваемая этим теплом вода возвращается к нам животворным дождем. Нагревание атмосферы обеспечивает нам ветер и перемену погоды.

Солнечные лучи предоставляют энергию, необходимую зеленым растениям для того, чтобы производить крахмал из углекислого газа и свободный кислород – из воды. Получается, что и пища, которую мы едим, и кислород, которым мы дышим, – это все дары Солнца.

Что же представляет собой это Солнце, которому мы стольким обязаны? Мы видим перед собой шар света, шар чистого и совершенного света, невесомый и божественный – именно таким и считали Солнце древние. Один древнегреческий астроном в свое время с помощью геометрических выкладок показал, что Солнце должно быть больше самой Земли, а значит, Земля вращается вокруг Солнца, но такую очевидную чушь в то время даже слушать никто не стал.

Однако восемнадцать столетий спустя появился польский астроном Николай Коперник, и в 1543 году он опубликовал подробную теоретическую схему вращения Земли вокруг Солнца. После ста лет споров его точка зрения наконец восторжествовала. В 1610 году итальянский ученый Галилей поспособствовал такой смене понятий, указав, что на Солнце есть черные пятна, а значит, оно не так уж совершенно и является материальным телом, а не божественной субстанцией.

Позже, в 1683 году, английский ученый Исаак Ньютон разработал теорию всемирного тяготения, и человечество узнало, чем еще обязано Солнцу. Огромное солнечное тело охватило своим гравитационным полем миллиарды километров пространства вокруг себя, и именно благодаря силе этого поля Земля ровно кружится вокруг Солнца, не приближаясь к нему слишком близко и не удаляясь слишком далеко. Солнце держит Землю бережно и заботливо, как мать – младенца на руках.

По представлениям современной науки, Солнце – это материальный шар 1 390 473 километров в диаметре, совершающий оборот вокруг своей оси за двадцать пять дней. По сравнению с ним Земля – как горошина рядом с баскетбольным мячом. Если бы Солнце было полым, в него уместилось бы миллион с четвертью планет размера Земли, и еще место бы осталось. Правда, плотность материи на Земле несколько больше, чем на Солнце, так что для того, чтобы набрать материала на новое Солнце, потребовалось бы всего 333 000 таких планет, как Земля.

Самые мелкие части Солнца, которые мы можем разглядеть, на самом деле чудовищно огромны. Материя его верхних слоев, нагретая до температуры в 5000 °С, находится в постоянном движении, одни ее части поднимаются наверх, другие – опускаются вниз, создавая впечатление рисовой каши. Но каждое рисовое зернышко в ней имеет диаметр в тысячи километров.

На поверхности Солнца образуются гигантские завихрения с сильными магнитными свойствами. Энергия на создание этого магнетизма и прочих сильных помех берется из температуры самого Солнца. Поэтому вихри остывают до 4000 °С. По обычным меркам, это, конечно, горячо, но по сравнению с окружающей солнечной поверхностью они так холодны, что снаружи кажутся на общем фоне черными пятнами. Именно эти солнечные пятна и заметил в свое время Галилей.

Эти солнечные пятна, завихрения на Солнце, имеют тысячи километров в диаметре. Диаметр одного из них, измеренный в 1947 году, оказался равен 84 000 километров. Такую гигантскую воронку не смогли бы остановить и три дюжины планет, равных Земле.

Появление солнечных пятен – явление циклическое. Их количество год от года растет, пока не достигнет пика, во время которого лик Солнца испещрен оспинами. Затем интенсивность солнечных пятен идет на спад. Полный цикл занимает одиннадцать лет.

В период наибольшего количества солнечных пятен наиболее высока и активность Солнца по выбросу материи на тысячи километров в пространство против собственной силы гравитации. Эти вылетающие сгустки красного пламени называются «протуберанцами». Невооруженным глазом их не заметить, но с помощью современных инструментов, позволяющих «отключить» сияние самого солнечного диска, можно увидеть те из них, что отлетают в направлении перпендикулярном плоскости наблюдения.

Иногда сияние солнечного диска отключается для наблюдателя и естественным образом. Речь идет о солнечных затмениях. Они случаются, когда Луна проходит ровно между Солнцем и Землей. По странному совпадению крошечная Луна находится от нас ровно на таком расстоянии, чтобы ее видимый размер в точности совпадал с видимым размером огромного Солнца. Поэтому, когда Луна проходит между Землей и Солнцем, совпадение получается почти идеальным.

Когда это случается (что, к сожалению для астрономов, бывает нечасто), само раскаленное добела Солнце заслоняется от нас, а чуть светящаяся внешняя атмосфера Солнца становится похожей на жемчужно-белый туман. Это – солнечная корона, окружающая солнечный диск, очень горячий, но очень разреженный газ. Лишь в последние двадцать лет наблюдения с космических аппаратов предоставили сведения о том, насколько она на самом деле горяча – больше миллиона градусов по Цельсию. Этого достаточно, чтобы, помимо обычного света, солнечная корона излучала и в диапазоне рентгеновских лучей. Однако вещество солнечной короны очень разрежено в пространстве, и поэтому, несмотря на высокую температуру, в целом содержание тепла в ней невелико.

Астрономы полагают, что в самом начале развития Солнечной системы материя, из которой она состоит, представляла собой разреженное облако пыли и газа, медленно кружащееся и сокращающееся под действием собственных гравитационных сил.

По мере того как материя сжималась к центру, температура центра все возрастала. Это неизбежное явление. Даже сжатие воздуха в ручном насосе приводит к нагреву этого воздуха; а температура в центре Земли, сжатом со всех сторон тысячами тонн металла и камня, достигает нескольких тысяч градусов.

Таким же образом материя Солнца, обладающего гораздо большей массой, чем Земля, своим давлением привела к нагреву собственного центра до невероятных высот.

Чем выше температура, тем энергичнее движутся атомы, и, наконец, система доходит до такого состояния, когда столкновения атомов становятся столь яростными, что электроны начинают соскакивать с внешних оболочек и атомное ядро остается «голым». На этом этапе материя обрушивается сама в себя – так и Солнце превратилось в тот шар, который мы видим сегодня.

Почти всю материю Солнца в самом начале составлял водород, а ядро атома водорода – это одна невероятно крошечная частица, именуемая «протон». По мере того как температура продолжала расти, эти протоны, уже лишенные электронов, сталкивались между собой все сильнее и сильнее, до тех пор пока при столкновениях не стали образовываться новые, более сложные ядра, состоящие уже из четырех частиц, – ядра гелия.

При слиянии атомов водорода с образованием гелия высвобождается огромное количество энергии. Именно этот процесс происходит при взрыве водородной бомбы. Короче говоря, в Солнце произошел ядерный взрыв, и оно превратилось в гигантскую водородную бомбу, благодаря свету и теплу которой мы живем. В отличие от маленьких водородных бомб, изготавливаемых человеком, Солнце не взорвалось сразу и навсегда, отойдя в небытие, поскольку его огромная сила притяжения удерживает солнечное вещество на месте.

Опасная радиация этой мощнейшей водородной бомбы нам тоже не страшна. Подавляющая часть опасного излучения даже не выходит за пределы Солнца. В его центре, где собственно и происходит процесс слияния водорода, температура составляет около 14 миллионов градусов по Цельсию, но весь этот жар не может попасть наружу иначе, кроме как медленно просачиваясь сквозь тысячи километров солнечного вещества. Поверхность Солнца по сравнению с этим ядром можно назвать лишь теплой, а та небольшая часть опасного излучения, которая все же пробирается наружу, в основном поглощается атмосферой Земли, не достигая поверхности планеты.

Прошло, наверное, пять или шесть миллиардов лет с того момента, как в сжимающемся центре Солнца вспыхнуло ядерное пламя, но за все это время в гелий успела превратиться лишь небольшая часть его обширнейших водородных запасов. Даже сегодня значительно больше половины солнечного вещества составляет водород, и ядерного топлива в Солнце еще достаточно, чтобы оно продолжало гореть, как сейчас, еще как минимум десять миллиардов лет.

От Солнца до Земли долетает гораздо больше, чем полагали до последнего времени. Не вся материя протуберанцев, отрывающихся от солнечной поверхности, возвращается обратно. Часть ее, подобно мельчайшим морским брызгам, уносимым ветром в глубь материка, покидает Солнце насовсем и в виде тончайших пучков улетает в пространство.

Именно из этой материи, представленной электрически заряженными протонами и электронами, состоит солнечная корона, уходящая все дальше и дальше от Солнца до тех пор, пока совсем не теряется в бесконечности пространства, постоянно пополняясь новой солнечной материей. Эту разреженную материю, вечно стремящуюся прочь от Солнца, называют «солнечным ветром», и он ощутим даже на том расстоянии, на котором находится Земля, – 150 000 000 километров.

Здесь, в окрестностях Земли, солнечная материя разрежена до предела, но все же плотность ее достаточна, чтобы окружающее нас пространство отличалось от чистого вакуума. Иными словами, можно сказать, что орбита Земли лежит внутри солнечной короны.

Заряженные частицы солнечной материи притягиваются магнитным полем Земли, дуги которого тянутся от одного полюса к другому, достигая наибольшей высоты в районе экватора.

Солнечные электроны и протоны собираются в магнитном поле Земли, следуя его изгибам и образуя вокруг планеты оболочку, по форме напоминающую пончик. Это так называемые «пояса Ван Аллена», названные в честь американского физика Джеймса Ван Аллена, открывшего их в 1958 году.

Возле магнитных полюсов заряженные частицы прижимаются вплотную к верхним слоям атмосферы Земли, где именно они обеспечивают красоты полярного сияния.

Солнечный ветер – явление непостоянное. Иногда, повинуясь неким непредсказуемым причинам, его сила возрастает. Чаще всего это совпадает с пиками солнечной активности, а непосредственно усиление солнечного ветра связывают со вспышками на Солнце. Бывает так, что пространство вокруг некоего солнечного пятна на час или около того вспыхивает особенно ярко, и из этой вспышки в пространство испускается сильнейший сноп частиц.

Если этот сноп оказывается направленным к Земле, то в тот же день облако частиц окажется в верхних слоях нашей атмосферы. Северное сияние станет ярче обычного, а в сводках погоды напишут о магнитных бурях.

Эти бури могут оказывать сильное воздействие на современную технику. Радиосообщение, к примеру, основано на том, что в верхних слоях атмосферы имеется область, содержащая электрически заряженные фрагменты атомов, называемые «ионами» (поэтому и вся область получила название «ионосфера»). Эти ионы обладают способностью отражать радиоволны. Однако, когда ионосферу наводняют заряженные частицы извне, отражение радиоволн начинает происходить с ошибками. Радиопереговоры тонут в помехах, которые могут сохраняться по тридцать часов.

Солнечный ветер оказывает на земные дела и более повседневное воздействие, причем крайне важное. Речь идет о дожде. Как нам сейчас известно, для того, чтобы пролился дождь, мало наличия влажности в воздухе, мало даже наличия облаков. Должны каким-то образом образоваться дождевые капли, а это не всегда происходит легко. Они образовываются, как правило, вокруг какой-нибудь подходящей пылинки, имеющей необходимые размер, форму и химические свойства. Современные технологии «разгона туч» основаны именно на обработке дождевых облаков соответствующими химическими веществами.

Ионы также представляют собой естественное ядро для дождевых капель, и вполне возможно, что при прочих равных вероятность дождя зависит от того, насколько верхние слои атмосферы богаты ионами. В целом ионов всегда больше в годы повышенной солнечной активности и сильного солнечного ветра. Поэтому в эти годы и дождей выпадает больше.

Так, по результатам измерений, уровень воды в озере Эри в годы наибольшей солнечной активности поднимается выше всего. Также, изучая годовые кольца деревьев, росших на юго-западе Соединенных Штатов, ученые установили, что наиболее толстые кольца, соответствующие годам с наибольшим количеством дождей, повторяются через одиннадцать лет, как и периоды солнечной активности.

Если же мы задумаемся о том, как сильно влияют на все живое колебания в выпадении дождей, то на солнечную активность можно списать вообще все, что угодно. Периодическая нехватка дождей может приводить к засухе и голоду, а следовательно – к периодам политической смуты и военной активности. Неудивительно, что многие пытались построить циклы войн и депрессий, основываясь на циклах солнечной активности. Однако солнечная активность оказывается достаточно иррегулярной, а человеческое поведение – достаточно сложным, чтобы до сих пор сводить все подобные попытки на нет.

Наступает век космических путешествий, и свойства Солнца приобретают особую важность для космонавтов. Атмосфера Земли поглощает большую часть опасной радиации, но стоит выйти за ее пределы – и угроза облучения встает во весь рост. В непосредственной близости от Земли космонавты еще могут полагаться на защиту стен своей космической станции (и, что еще важнее, земного магнитного поля), но чем дальше от Земли – тем грознее опасность.

По пути к Луне космонавт будет нуждаться в защите от интенсивной радиации поясов Ван Аллена. Хотя, возможно, ему удастся проскочить через полярные проходы в поясах.

Дальше в открытом космосе космонавт не сможет чувствовать себя в безопасности, даже если уровень радиации вокруг него будет находиться на допустимом уровне. В любой момент внезапная вспышка на поверхности Солнца может выплеснуть в его направлении сноп опасных частиц, который не удастся отразить. Некоторые из зафиксированных вспышек оказывались настолько яростными, что приводили к выплеску самого энергетически насыщенного излучения из известных – космических лучей.

На самой Луне, где нет заслуживающей упоминания атмосферы (см. главу 14), исследователи могут столкнуться с тем, что одной из самых главных подстерегающих их опасностей станет непредсказуемое поведение солнечного ветра, случайным образом разражающегося смертоносными вспышками.

Ясно, что о Солнце необходимо знать как можно больше. В этом может помочь недавно открытая странная небольшая частица, именуемая «нейтрино». Эти частицы высвобождаются при проходящих в центре Солнца реакциях слияния водорода наравне с обычным излучением.

Обычному излучению требуется столько времени, чтобы достичь поверхности Солнца, и оно подвергается при этом стольким изменениям, что в итоге по нему можно судить только о солнечной поверхности, но никак не о его ядре – разве что делая некие косвенные выводы.

А вот нейтрино настолько малы и имеют так мало отношения к обычной материи, что они вырываются из центра Солнца со скоростью света, и солнечное вещество не оказывает при этом на них никакого влияния. До Земли они добираются через восемь минут после своего возникновения, прямо из центра Солнца.

Сейчас ученые занимаются разработкой нейтринных телескопов, которые могут представлять собой, например, контейнеры с определенными химическими веществами, способными остановить хотя бы несколько нейтрино солнечного происхождения. Из того, сколько именно частиц удастся остановить, и из прочей информации, которую удастся из них извлечь, можно будет установить температуру и другие факторы солнечного центра гораздо точнее, чем мы это делаем сейчас.

Узнав природу самого центра Солнца, мы разгадаем многое из того, что сейчас кажется загадочным и таинственным. Пятна на Солнце, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер – все это можно будет расписать по пунктам и, возможно, составить прогнозы. С обретением этого нового знания можно будет в безопасности преодолевать обширные космические пространства, так же как обретение компаса позволило европейским мореходам безошибочно преодолевать бурные и опасные морские просторы.