Текст книги "Разумная жизнь во Вселенной"

Автор книги: Юрий Мизун

Соавторы: Юлия Мизун
сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 29 страниц)

Если радиотелескопы использовать группами (не подключая их по схеме радиоинтерферометра), то достигается выигрыш за счет увеличения суммарной площади собирательного зеркала. Так, голландская система «Вестербарк» состоит из 12 зеркал, каждое диаметром по 25 метров. Они соответствующим образом расположены и соединены. Система этих зеркал вытянулась на полтора километра. Эта установка на длине волны 21 сантиметр имеет разрешение около 20 угловых секунд. Подобная американская система «VELA», которая начала работать в 1979 году, состоит из 25 радиотелескопов диаметром по 25 метров. Но они расположены в форме буквы Y. Вся площадка, занятая ими, имеет протяженность 47 километров. Разрешающая способность этой системы на длине волны 6 сантиметров составляет 0,3 секунды дуги. «Атлас неба» составлен по данным многолетних наблюдений на оптическом телескопе обсерватории Маунт-Паломар с разрешением в три раза меньше.

ЧАСТЬТРЕТЬЯ
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Мы находимся на задворках нашей Галактики. Из нашего медвежьего угла очень трудно «пощупать» далекие планеты. Исследовать планеты другими, косвенными методами очень сложно. Они малы и находятся далеко. Поэтому на примере планет нашей системы проиллюстрируем, насколько сильно могут меняться условия, в которых мы ищем жизнь. Эти условия мы, прежде всего, будем рассматривать с точки зрения жизни. Хотя мы уже знаем, что на наших планетах полноценной жизни нет, проанализируем физико-химические условия на планетах Солнечной системы, с тем чтобы дать представление о том, насколько сильно эти условия могут меняться. Это в одной планетной системе. Что же можно ожидать от планет, которые находятся ближе к центру Галактики? Во Вселенной все может быть. Схема Солнечной планетной системы, расположение планет и их удаленность от центральной звезды – Солнца показаны на рисунке 9. Вся картина разделена на две части (левую и правую). В каждой части свой масштаб. Внизу рисунка показаны расстояния планет от Солнца. Масштаб – логарифмический. Это когда изменение в десять раз занимает одну десятую часть изменения в 100 раз. Но для удобства самая нижняя линия показывает удаление от Солнца в километрах, а линия выше – в астрономических единицах. Астрономическая единица – это расстояние от Земли до Солнца. Оно равно 149, 6 миллиона километров. В этих единицах в нижней части рисунка показаны удаления планет от Солнца (средние их удаления).

Все планеты движутся по эллиптическим орбитам. Эллипс – это овал. Он, в отличие от окружности, имеет два центра. Любая точка на эллипсе так расположена, что сумма ее расстояний от этих двух центров остается всегда постоянной.

Если эти два центра все больше и больше растягивать в разные стороны, то эллипс становится все более вытянутым. Если же, наоборот, центры эллипса сближать и затем вообще совместить друг с другом, то в конце концов получится окружность с одним центром и одним радиусом.

Обратите внимание, что на рисунке 9 Солнце находится не в центре окружностей. И вообще это не окружности. Это эллипсы. Солнце же находится в одном из двух центров эллипса. Два центра эллипса называют фокусами. Удаление одного центра (фокуса) эллипса от другого называется эксцентриситетом. Чем больше эксцентриситет, тем орбита планеты более вытянута. Окружность обладает одним радиусом. Эллипс обладает двумя полуосями (длиной и шириной). Очень удобно использовать произведение эксцентриситета эллипса на величину большей полуоси. При этом получается расстояние, на которое данная планета удаляется от Солнца в своей наиболее далекой точке – афелии или же приближается к Солнцу в своей самой ближней точке – перигелии. Эти расстояния получаются не в километрах и не в астрономических единицах, а в единицах, которые равны среднему расстоянию планеты от Солнца. Самым большим эксцентриситетом обладают планеты Меркурий и Плутон. Их эксцентриситеты равны 0,207 и 0,253 соответственно. Самыми малыми эксцентриситетами обладают Венера и Нептун. Они равны 0,0068 и 0,0087 соответственно.

Уточним, что большие полуоси орбит планет – это средние расстояния планет от Солнца. Они для Меркурия, Венеры, Земли и Марса очень сильно отличаются от таковых для других, более удаленных от Солнца планет, планет-гигантов. Это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Сюда же надо отнести и планету Плутон.

Основные данные о планетах Солнечной системы приведены в таблице 1. Сравнительные характеристики планет следующие. Все они движутся вокруг Солнца в одном направлении, а именно – против часовой стрелки. Это если смотреть с северного полюса мира. Плоскость орбиты Земли называется эклиптикой. Плоскости орбит других планет несколько наклонены к плоскости орбиты Земли, то есть к плоскости эклиптики. Больше всего этот наклон у плоскости орбиты Меркурия (наклон составляет 7 °) и у плоскости орбиты Плутона (наклон составляет 17°). Для всех остальных планет этот наклон меньше 3,4°.

При движении вокруг Солнца планеты оказываются в различном расположении друг относительно друга. Если какая-либо планета находится против другой планеты и обе они находятся на линии, которая проходит через Солнце, то говорят о противостоянии планет. В том случае, когда планета внешняя по отношению к орбите Земли, это просто противостояние. Если же планета внутренняя относительно

Земли, то говорят о нижнем соединении планет. Это может происходить с Венерой и Меркурием. Если планеты расположены за Солнцем, то такое же положение называют верхним соединением.

Смена времен года определяется углом наклонения плоскости экватора планеты относительно плоскости ее орбиты. Можно с таким же успехом оперировать полярной осью, то есть осью, вокруг которой планета вращается. У Меркурия, Венеры и Юпитера ось вращения (полярная ось) практически перпендикулярна плоскости их орбит. Поэтому там нет сезонов, нет смены времен года. Весьма существенный угол наклонения плоскости экватора к плоскости орбиты имеют Марс и Земля. Он составляет около 25°. Поэтому на этих планетах сезонные изменения очень выражены. У Урана наблюдается весьма странная картина. Он, как упавшее веретено, вращается практически в плоскости своей орбиты. Результаты этого налицо. Полярная ночь длится полгода. А это не меньше не больше, чем 42 земных года. Такая полярная ночь наступает в одном полушарии Урана, а затем – в другом, и все повторяется. Полярная ночь, в отличие от Земли, на Уране охватывает все полушарие. То есть полярный круг совпадает с экватором. 42 земных года на Уране темно и холодно сразу во всем полушарии, северном или южном. Зато в полярный день, который тоже длится 42 земных года, Солнце непрерывно находится в зените. Нет ни восходов, ни закатов, и вообще никакого движения Солнца на небосводе.

Внутренние планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс составляют одну группу планет. И дело не в том, что они находятся ближе друг к другу. Главное их общее свойство то, что это небольшие планеты с высокой средней плотностью, которая достигает 5,5 г/см3. Это в пять с половиной раз тяжелее воды. Все эти планеты расположены очень близко к Солнцу (от 0,39 до 1,52 астрономической единицы).

В группу планет-гигантов входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Но средняя их плотность невелика. Она близка к плотности воды(1 г/см3). Кроме того, планеты-гиганты вращаются очень быстро (сутки составляют 1 – 17 часов). Располагаются они на расстояниях от 5,20 до 30,07 астрономической единицы. Плутон расположен еще дальше. Его среднее расстояние от Солнца составляет 39,52 астрономической величины. Но орбита Плутона очень вытянута. Поэтому реальные расстояния его от Солнца сильно отличаются от среднего расстояния. Так, Плутон при своем движении иногда заходит внутрь орбиты Нептуна.

Периоды обращения планет вокруг Солнца (то есть длительности года) различны. У Меркурия это всего 88 суток (земных суток), а у Плутона год длится 249 земных лет. За последние десятилетия проводились исследования почти всех планет (кроме Плутона) с помощью космических аппаратов.

МЕРКУРИЙ

Меркурий может наблюдать каждый. Сразу после захода Солнца или же на востоке перед его восходом видна яркая планета. По блеску она только немного уступает Венере. Это и есть Меркурий. Но наблюдать его в это время можно недолго, около полутора часов, не более. Другое дело – в телескоп. Но и в телескоп никаких деталей на Меркурии вы не увидите. Вплоть до недавних исследований Меркурия с помощью современных экспериментальных средств считали, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, поэтому там, под Солнцем очень жарко. Моря на Меркурии изображались состоящими из расплавленных металлов. Берега рисовались похожими на лунный ландшафт.

Важные данные о Меркурии были получены после 1974 года. Меркурий обращается вокруг Солнца по сильно вытянутой эллиптической орбите. Она наклонена к плоскости эклиптики, то есть к плоскости, в которой обращается Земля, на 7°. Средняя удаленность Меркурия от Солнца составляет 0,39 астрономической единицы. Это равно 58 миллионам километров. В перигелии удаленность составляет 0,31, а в афелии – 0,47 астрономической единицы. По орбите Меркурий

Рис. 10. Схема связи периодов вращения и орбитального движения Меркурия. Благодаря приливным воздействиям Солнца Меркурий захвачен в «резонансную ловушку»: период его обращения вокруг Солнца относится к периоду вращения как 3/2. Иными словами, Меркурий делает три оборота вокруг своей оси за два меркурианских года, что легко видеть по положению светлого пятна на схеме

движется со скоростью 48 км/с. Но эта скорость меняется, подчиняясь законам Кеплера. Чем дальше уходит планета от центров эллипса, тем движение ее быстрее. Так, Меркурий в максимуме большого эксцентриситета движется со скоростью 54 км/с. Эта скорость вдвое больше скорости движения Земли. Это значительно усложняет посылку на Меркурий космических аппаратов. Период обращения Меркурия вокруг Солнца (сидерический) составляет 88 земных суток.

Орбита Меркурия показана на рисунке 10. Когда Меркурий проходит перигелий (тогда он удален от Солнца на 0,31 а. е.), он поочередно бывает обращен к Солнцу то одной, то другой стороной. Это очень своеобразное движение. Было бы правильным говорить, что один полный солнечный цикл на Меркурии составляет два меркурианских года. Полный оборот вокруг своей оси Меркурий завершает за две трети своего года. Любопытным свойством движения Меркурия является то, что к тому моменту, когда Меркурий оказывается в нижнем соединении (на линии Земля – Солнце), он всегда занимает одно и то же положение относительно звезд. Продолжительность солнечных суток на Меркурии равна 176 земным суткам.

Очень необычным является движение Солнца, которое наблюдается (может наблюдаться) с поверхности планеты. Схема его показана на рисунке 11. В продолжение суток можно видеть три восхода и три захода Солнца. Но напомним, что солнечные сутки длятся там в 176 раз дольше, чем на Земле. Зрелище очень необычное: можно наблюдать с Меркурия, как Солнце останавливается и даже возвращается назад. В разных зонах планеты картина разная. Так, в некоторых зонах заходы и восходы Солнца наблюдаются дважды за одни сутки (как на востоке, так и на западе).

Рис. 11. Видимое движение Солнца по небу Меркурия, наблюдаемое с точек, расположенных на меридианах 0 и 180°. На этих долготах можно видеть три восхода и три захода за одни солнечные сутки, которые длиннее земных в 176 раз

Рис. 12. Район вблизи южного полюса Меркурия с межкратерными равнинами. Диаметр кратера (вверху посередине) около 65 км. Снимок NASA

Меркурий хотя и маленькая планета, но достаточно тяжелая. Средняя ее плотность примерно такая же, как у Земли (5,44 г/см3).

Рельеф местности Меркурия очень суровый. Часть поверхности планеты изрыта кратерами. На фоне старых кратеров видны следы новых, более мелких. Размеры падающих небесных тел с течением времени уменьшались. На дне некоторых кратеров просматриваются следы извержения лавы, которая, естественно, затвердела. Примерно также выглядит поверхность Луны.

В ряде районов Меркурия кратеров нет. Такая поверхность видна на рисунке 12. Показанный район расположен вблизи южного полюса Меркурия. Ученые считают, что океана жидкой лавы на поверхности Меркурия никогда не было.

Достопримечательностью поверхности Меркурия являются эскарты. Это уступы высотой 2–3 метра. Они разделяют два района, которые, впрочем, почти ничем не различаются. Но эти уступы (обрывы) очень протяженные. Их длина достигает сотен и даже тысяч километров. У каждого из этих уступов имеется свое собственное имя. Эти уступы образовались тогда, когда происходило сжатие Меркурия. Поэтому произошли сдвиги, и отдельные участки его коры наползли на другие. Горы на Меркурии имеют высоту 2–4 километра. Только Скалистые горы на Меркурии возвышаются на 5,8 километра. На сегодняшний день все специалисты сходятся на том, что подавляющая часть рельефа Меркурия, состоящая из кратеров, образована в результате ударов о поверхность планеты небесных тел. Эти удары сопровождались взрывами. Это справедливо не только доля Меркурия, но и для Луны и Марса.

Одним из самых интересных районов Меркурия ученые считают Равнину Жары или Зноя. Она представляет собой бассейн в виде круга диаметром 1300 километров. Этот бассейн по периферии окружают концентрические кольцевые валы. Их несколько (4–5). Некоторые из них имеют высоты в 2 километра. Это показано на рисунке 13. Полагают, что на этом месте остался след от удара гигантского метеоритного тела. Размеры этого тела должны были быть сравнимыми с размерами небольшой планеты. Возможно, это столкновение произошло 3, 9 миллиарда лет назад. Об этом судят по относительно малому количеству кратеров в центральных частях Равнины Жары. Здесь сравнительно ровная поверхность изрезана системой трещин. Это показано на рисунке 14. Видимо, удар при столкновении небесного тела с Меркурием был настолько сильным, что кора планеты в этом месте была пробита очень глубоко. Через образовавшуюся щель в коре и мантии вырвались на поверхность потоки лавы. Когда лава застыла, она образовала сетку трещин, а также концентрические кольцевые валы. Кратеры на поверхности Меркурия хорошо сохранились. Поэтому можно полагать, что основные этапы образования кратеров прошли раньше, до образования Равнины Жары.

Рис. 13. Равнина Жары. На снимке видны вся центральная часть Равнины Жары (диаметр 1300 км) и несколько кольцевых валов

Для проблемы жизни очень важной является температура атмосферы планеты. Она зависит от той энергии, которую планета получает от Солнца. Напомним, что Земля получает от Солнца 1,37 кВт/м2. Площадка в один квадратный метр должна быть перпендикулярна лучам Солнца. Так вот,

Рис. 14. Поверхность Меркурия в районе Равнины Жары. Различаются трещи-ны шириной от 0,5 до 8 км. Наилучшее разрешение до 50 м. Снимок NASA

на квадратный метр Меркурия приходится в среднем 9,15кВт. В перигелии эта цифра достигает 11 кВт/м2. Это в четыре раза больше, чем для Земли. Меркурий экономит энергию и тем, что его поверхность темная. Поэтому только 12–18 % падающего света отражается в космическое пространство. Все остальное солнечное тепло поглощается и идет на нагрев. На нагрев идет примерно 8 кВт на площадке в один квадратный метр. День на Меркурии очень длинный, и температура успевает подниматься до высоких значений. Она достигает 620 К (кельвинов). В перигелии температура поднимается еще выше. В районе Равнины Жары она достигает 690 К. В афелии она ниже – 560 К. К счастью, поверхностный слой планеты сильно измельчен и служит хорошим теплоизолятором. Поэтому тепло не проникает глубоко. Так, на глубине нескольких десятков сантиметров температура неизменная и поддерживается на уровне 345–365 К. Из-за низкой теплопроводности, сразу после захода Солнца поверхность Меркурия быстро остывает. Буквально спустя два часа она падает до 130 К, а ночью она составляет 90 К.

Любопытно, что в полярных шапках Меркурия были обнаружены гигантские отложения льдов. С помощью наземной радиолокации в начале 1990-х годов были выявлены в полярных шапках многочисленные пятна размером от 50 до 150 километров. Анализ отражаемых радиосигналов позволяет заключить, что отражение произошло ото льда. Такой вывод можно сделать из анализа характера отраженных радиоимпульсов (для них характерна деполяризация). Полагают, что лед покрыт тонким слоем вещества (специалисты его называют реголитом), которое сильно раздроблено. Поэтому оно является идеальным теплоизолято-ром. Собственно, поэтому льды и сохранились. Они оказались в своего рода термосе. Очень важную роль в сохранении льдов сыграло и то, что положение оси планеты (вокруг которой она вращается) является стабильным. Поэтому солнечные лучи практически никогда не проникают в не очень глубокие кратеры в полярных шапках (выше широт 82–84°). Температура здесь не превышает 60–62 К. Естественно, что лед почти законсервирован. Изменение температуры на поверхности Меркурия в течение солнечных суток показано на рисунке 15.

Рис. 15. Характер изменения температуры поверхности Меркурия в течение солнечных суток (на экваторе)

Физико-химические условия на планете зависят от ее внутреннего строения. От него зависят источники тепла, теплообмен и общий баланс тепла. На рисунке 16 приведена схема внутреннего строения Меркурия. Рядом дана схема для Земли. У Меркурия имеется массивное железное ядро, которое больше, чем ядро Земли. Ядро Меркурия занимает примерно половину объема планеты. Над ядром расположена силикатная оболочка. Ее толщина составляет 600 километров.

Рис. 16. Схема внутреннего строения Меркурия. Радиус металлического ядра достигает 74 % радиуса планеты. На рисунке показана также упрощенная схема строения Земли

Меркурий – планета легкая. Поэтому свою атмосферу она не сумела удержать. Но исследователи говорят о некоем подобии атмосферы. Но она слишком разреженна, как самые верхние слои атмосферы Земли, на высотах 1000 километров и больше. Это экзосфера Земли. Поэтому атмосферу Меркурия называют экзосферой. Меркурий терял свою атмосферу еще и потому, что на дневной стороне его температура еще высокая. Чем выше температура газа, тем больше скорость движения частиц газа, тем легче им вылететь за пределы зоны действия сил притяжения планеты и покинуть ее навсегда, уйдя в космическое пространство. Поэтому первичная атмосфера Меркурием была потеряна. Чем легче газ (элемент), тем легче он убегает. Его меньше всего держит планета. Поэтому первым бежит водород. Первым в смысле эффективности, количества убежавшего газа. Вторым – гелий. И так далее. Кстати, одной из основных составляющих нынешней атмосферы Меркурия является именно гелий. Он приходит непосредственно от Солнца. Чистое совпадение в том, что гелий означает «солнечный». Просто этот элемент впервые был открыт на Солнце. Атмосфера Меркурия мало напоминает атмосферу Земли. Атмосферное давление у поверхности Меркурия в 500 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли. Это такой глубочайший вакуум, которого в наших лабораториях мы не достигнем никогда. Собственно, атмосфера Меркурия – это что-то вроде перевалочного пункта. Сюда непрерывно приносятся частицы гелия от Солнца, но они столь же стремительно и покидают эти места. Это чем-то напоминает текущую реку. Правда, смена атомов гелия происходит не так уж и быстро. Каждый атом гелия живет на Меркурии примерно 200 дней. А затем снова в путь! Его место займет другой атом гелия, который принесет от Солнца солнечный ветер. Атмосфера больше там, где холоднее, то есть на ночной стороне Меркурия. В атмосфере Меркурия имеется и водород. Но его меньше, чем гелия, примерно в 50 раз. Других газов там не обнаружено, хотя их наличие нельзя исключить. Специалисты, которые изучают атмосферу и ионосферу Земли, имеют дело с тысячами самых различных химических реакций. Это целая отрасль науки, и не одна. На Меркурии они остались бы без работы – там, в атмосфере Меркурия, нет химических реакций. Чтобы одна частица вступила в реакцию с другой, им надо встретиться. А там, как в пустыне, частицы газов практически не встречаются. Слишком их мало, и они носятся как пушечные ядра, не встречая друг друга. Это идеал одиночества. Поэтому вряд ли стоит говорить об атмосфере Меркурия. Можно просто считать, что ее нет. Как и у Луны. В атмосфере Меркурия были обнаружены и пары щелочных металлов, натрия и калия, в соотношении 25:1. Их, конечно, ничтожно мало. Полагают, что они являются результатом испарения щелочных металлов из коры планеты, примерно из глубины до 10 километров. Над Равниной Жары этих паров было зафиксировано больше, чем в других местах. Специалисты считают, что источником этих паров могут быть и вулканы (фу-рамолы), которые все же есть и на Меркурии.