Гусейханов М., Раджабов О. Концепции современного естествознания: Учебник

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 10. ПРИРОДА МЕГАМИРА

Пути, которыми люди проникают в суть небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти явления.
И.Кеплер

10.1. Расстояния и размеры в мегамире

Вопрос о том, что представляет собой Космос, окружающий Землю, нельзя было решить раньше, чем были определены расстояния до небесных тел. И это уточнение масштабов мира продолжалось почти 2500 лет. Какими только единицами не измерялись эти расстояния, начиная от греческих стадий и кончая сегодняшними мегапарсеками! Оставим эволюцию методов измерения расстояния до небесных тел и рассмотрим основные методы, с помощью которых мы сейчас определяем геометрические размеры Космоса и расстояния до небесных тел.
Основным методом измерения расстояния до небесных тел является метод параллактического смещения или тригонометрического параллакса, когда измеряется угол, под которым наблюдается небесное тело, до которого определяется расстояние, с различных точек наблюдения. Расстояние между точками, из которых наблюдается небесное тело, называют базисом. Зная величину базиса и угла наблюдения, по формулам тригонометрии можно определить расстояние до небесного тела. Угол, под которым виден базис с небесного тела, до которого определяется расстояние, называется параллаксом. При данном расстоянии до небесного тела параллакс тем больше, чем больше базис.
222

В пределах Солнечной системы в качестве базиса используют радиус Земли и метод измерения расстояний называют методом суточного параллакса. Угол, под которым со светила, находящегося на горизонте, был бы виден радиус Земли, называется горизонтальным суточным параллаксом светила. Конечно, со светила никто не наблюдает радиус Земли, а горизонтальный параллакс определяют по измерениям максимальной высоты светила из двух точек земной поверхности, находящихся на одном географическом меридиане и имеющих известные географические широты.
Наибольший горизонтальный суточный параллакс имеет ближайшее к Земле небесное тело — Луна (рл = 57'). Параллаксы планет и Солнца составляют всего лишь несколько секунд (рс = 8", 8). Масштабы расстояний в мире небесных тел заставляют астрономов пользоваться гораздо более крупными единицами измерения расстояний, чем километры. Одной из таких единиц является астрономическая единица (а.е.), равная среднему расстоянию от Солнца до Земли (1 а.е. = 149,6 млн км). До Меркурия от Солнца = 0,4 а.е., а расстояние до самой далекой планеты Плутон можно принять как размер Солнечной системы и равно примерно 40 а.е.
Во второй половине XX в. возникла идея метода непосредственного определения расстояния до небесных тел. Он заключается в том, что на небесное тело посылают мощный кратковременный радиоимпульс, а затем принимают отраженный сигнал. Зная скорость распространения света в вакууме с = 300 000 км/с и время распространения, определяют расстояние. Радиолокационные наблюдения позволили с большей точностью определить расстояние до небесных тел в Солнечной системе. Этим методом уточнены расстояния до Луны, Венеры, Меркурия, Марса, Юпитера. Вскоре после изобретения мощных источников светового излучения — оптических квантовых генераторов (лазеров) — стали проводить опыты по лазерной локации Луны. Метод лазерной локации аналогичен радиолокации, однако точность измерения значительно выше. Оптическая лазерная локация дает возможность определить расстояние между выбранными
223

точками лунной и земной поверхностей с точностью до сантиметров, что позволяет изучить рельеф поверхности небесных тел. Метод параллакса пригоден и для определения расстояний до ближайших звезд. Только в качестве базиса используется не радиус Земли, а средний радиус земной орбиты, и метод определения расстояния до звезд по углу, под которым со звезды был бы виден средний радиус земной орбиты, называют годичным параллаксом (рис. 10.1).

Расстояние до звезды, которое соответствует годичному параллаксу в 1", называется парсеком (от слов "параллакс" и "секунда", обозначается пк. 1пк = 206 265 а.е.). Эта единица используется в звездной астрономии, так как не только километр, но даже астрономическая единица слишком мала для измерения расстояний до звезд. Самая близкая к нам звезда после Солнца находится в созвездии Центавра (Проксима Центавра или Кентавра). Ее годичный паралакс — 0",76, что соответствует 1,33 пк. Дадим соотношение между километром, астрономической единицей, парсеком и световым годом, расстоянием, которое свет проходит за год.
1пк = 3,26 св.г. = 206 265 а.е. = 3 1013 км.
224

Измерение параллактического смещения звезд хотя и очень трудоемко, но является самым надежным, фундаментальным способом определения их расстояний. Естественно, что это смещение заметно только у сравнительно близких звезд. В настоящее время оно определяется по четырем фотографиям звездного неба, полученным на протяжении года через интервалы времени в три месяца. К настоящему времени тригонометрические параллаксы определены примерно у 7500 звезд.
Расстояние до более далеких звезд определяется по периоду изменения блеска (светимости) звезд — цефеид. Цефеиды — это пульсирующие звезды, которые периодически раздуваются и сжимаются. Между периодом (Р) пульсации долгопериоди-ческих цефеид и светимостью этих звезд существует зависимость, получившая название "период-светимость". Если из наблюдений известен период изменения блеска цефеиды, то, пользуясь зависимостью период-светимость, можно определить ее абсолютную звездную величину (М), которая равна видимой звездной величине (m) этой звезды с расстояния 10 пк по формуле М = 0,2 (2 - 1gP). Тогда по формуле 1gr = 0,2 (m - М) + 1 легко вычислить расстояние до цефеиды, зная из наблюдений ее видимую звездную величину (т). Так как цефеиды относятся к звездам-гигантам и сверхгигантам (т. е. тем, которые имеют огромные размеры и светимости), то они видны с больших расстояний. Обнаруживая цефеиды в далеких звездных системах, можно определить расстояние до этих систем (рис. 10.2).
До более далеких галактик, у которых наблюдаются вспышки сверхновых звезд (у которых происходит внезапное резкое увеличение светимости), расстояние можно оценить исходя из того, что все сверхновые, как это следует из наблюдений, имеют примерно одинаковую абсолютную звездную величину в максимуме блеска Мmах. В этом случае по наблюдаемой величине Мmах можно найти модуль расстояния и расстояние до этой галактики.
Имеются и другие способы определения расстояний до галактик, но мы остановимся лишь на одном, применяемом для оценки расстояний до далеких галактик.
225

В спектрах далеких галактик спектральные линии смещены в сторону красного конца спектра. Это явление получило название красного смещения и вызвано удалением галактик. В 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл установил закономерность, назьюаемую ныне законом Хаббла: лучевые скорости галактик (vr) пропорциональны расстояниям до них (r). vr = Нг. В этом законе коэффициент пропорциональности Н называется постоянной Хаббла. Расстояния до далеких галактик оказались настолько большими, что их приходится выражать не в парсеках (пк) и килопарсеках (кпк), а в мегапарсеках (Мпк). В настоящее время значение красного смещения измерено в спектрах более 15 000 галактик, причем оказалось, что лучевые скорости наиболее далеких превышают 100 000 км/с, а их расстояния составляют сотни и тысячи мегапарсеков, т. е. свет от них доходит до нас за сотни миллионов и миллиарды лет.
Для определения масс небесных тел важное значение имеет обобщение Исааком Ньютоном третьего закона Кеплера на любые системы обращающихся тел. Если, в частности, массивным (центральным) телом является Солнце с массой М0, то для него и
226

двух движущихся вокруг него планет с массами m1 и m2 третий закон Кеплера будет иметь вид:

т. е. квадраты периодов обращения (), умноженные на
сумму масс Солнца и планеты (М0 + m1 и М0 + m2), относятся как кубы больших полуосей орбит планет (). Можно применить
третий закон Кеплера и к другим системам, например к движению планет вокруг Солнца и спутника вокруг планет. Обозначим массы Солнца, планеты и ее спутника соответственно через М0, m и m1периоды обращения планеты вокруг Солнца и спутника вокруг планеты — через Т и Т1 и, наконец, средние расстояния планеты от Солнца и спутника от планеты — через а и а1 Тогда третий закон Кеплера можно записать в виде:

Масса Солнца больше, чем сумма масс всех тел Солнечной системы, в 750 раз, больше, чем масса Юпитера, в 1050 раз, больше, чем масса Земли в 330 000 раз, т. е. М0т. Масса планеты обычно также очень велика по сравнению с массой спутника (исключение составляют Земля и Луна, а также Плутон с его спутником Хароном), т. е. mm1 Поэтому с достаточной степенью точности можно вычислить отношение массы Солнца к массе планеты по формуле

Эта формула получена из рассмотрения движения планеты вокруг Солнца и спутника вокруг планеты. Аналогичный вид будет иметь формула для определения массы планеты, имеющей спутника, если эту систему небесных тел сравнить с другой планетой и ее спутником:

227

где m1 и — массы сравниваемых планет; Т и Т1— периоды обращения спутников планет; а1 и — средние расстояния между спутниками планет. Массы небесных тел, не имеющих спутников, определяют по величине силы притяжения, которое оказывает данное небесное тело на другие небесные тела. Отклонения в движении небесного тела под действием притяжения со стороны небесного тела, массу которого необходимо измерить, называют в небесной механике возмущениями. По величине возмущения можно определить массу неизвестного небесного тела. Примером этого является открытие Нептуна и Плутона. Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн более известны людям с глубокой древности. Планету, находящуюся за орбитой Сатурна и не видимую невооруженным глазом, открыл в 1781 г. с помощью телескопа английский астроном (профессиональный музыкант, который начал заниматься астрономией как любитель) Уильям Гершель. Она была названа Ураном. Основываясь на законах небесной механики, астрономы вычислили орбиту Урана, но довольно скоро выяснилось, что в движении новой планеты заметны отклонения от кеплеровской орбиты. Наблюдаемые отклонения могли означать либо то, что действие закона всемирного тяготения ограничено лишь близкими планетами, либо то, что за Ураном есть еще какая-нибудь планета, возмущающая его движение. Определив величину возмущения, астрономы решили попытаться открыть новую планету, вычислив ее положение в пространстве. Независимо друг от друга такую задачу удалось решить двум молодым математикам — англичанину Джону Адамсу и французу Урбену Леверье. Астроном Берлинской обсерватории Иоганн Галле, получив телеграмму от Леверье с просьбой поискать планету в указанном месте, 23 сентября 1846 г. обнаружил в созвездии Водолея светило, которого не было на звездной карте. Так была открыта восьмая планета Солнечной системы. Это был триумф небесной механики, торжество гелиоцентрической системы. Таким же образом по возмущениям Нептуна американский астрофизик П. Ловелл вычислил, а Томбо в 1930 г. обнаружил девятую планету Солнечной системы — Плутон.
228

Массы звезд определяют также по результатам наблюдений двойных звезд. К системам двойных звезд применимы закон всемирного тяготения и обобщенные Ньютоном законы Кеплера. Пусть массы главной звезды с большей массой М1, а ее спутника, обращающегося вокруг главной ~М2, период обращения спутника обозначим через Т, большая полуось орбиты спутника — А. Тогда, обозначив через Мс и М3 массы Солнца и Земли, Тз — период обращения Земли, а — большую полуось земной орбиты, можно написать:

Если принять массу Солнца за единицу (Мс = 1) и учесть, что= 1 год, а = 1 а.е., то

Величина А связана с годичным параллаксом звезды (р) и угловым расстоянием между компонентами (а) простым соотношением

где а и р выражены в секундах дуги, а расстояние А — в астрономических единицах.
Тогда
Массы звезд в отличие от их светимостей и размеров различаются не очень сильно. Наиболее массивные звезды больше, чем Солнце, в 50-80 раз, а наименьшие по массам звезды составляют 0,05 массы Солнца, хотя в данном случае следует говорить уже не о звезде, а об объекте, по своей природе близком к планетам.
229

10.2. Земля как планета и природное тело

Ты разумом вникни поглубже, пойми,
Что значит для нас называться
людьми...
Земное с небесным в тебе сплетено,
Два мира связать не тебе ли дано?
Фирдоуси

Земля кажется нам такой огромной, такой надежной и так много значит для нас, что мы не замечаем ее второстепенного положения в семье планет. Единственное слабое утешение состоит в том, что Земля — наибольшая из планет земной группы. К тому же она обладает атмосферой средней мощности, значительная часть земной поверхности покрыта тонким неоднородным слоем воды, а вокруг нее обращается величественный спутник, диаметр которого равен четверти земного диаметра. Однако этих аргументов вряд ли достаточно для того, чтобы поддерживать наше космическое самомнение. Крошечная по астрономическим масштабам Земля — это наша родная планета, и поэтому она заслуживает самого тщательного изучения (рис. 10.3).

230

По форме Земля близка к двуосному эллипсоиду. На XVI съезде Международного астрономического союза, состоявшемся в Гренобле (Франция) в августе 1976 г., приняты следующие элементы земного сфероида: экваториальный (наибольший) радиус Rэ = 6378,140 км, полярный (наименьший) радиус Rп = = 6356,755 км, различие в радиусах Rэ - Rп = 21,385 км, сжатие
. Сфероид Земли близок к геоиду — поверхности океанов, продолженной под материками, в каждой точке которой перпендикуляр совпадает с направлением силы тяжести. За средний радиус Земли принимают Rcp = 6371 км, который соответствует радиусу шара по объему, равному объему эллипсоида Земли.
Относительно геоида производятся измерения высот на суше и глубин в океане. Наибольшую высоту над поверхностью мирового океана — 8848 км — имеет вершина Джомолунгма (Эверест), находящаяся в Гималаях (Евразия), а наибольшую глубину — 11 022 м — имеет Марианский желоб в Тихом океане.
Земля участвует в двух движениях, происходящих с запада на восток: она вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца. Положение точки или тела на земной поверхности определяют с помощью географической сетки. Географическую сетку образуют полюса, параллели и меридианы. Точки пересечения оси вращения Земли с ее поверхностью называются географическими полюсами. Имеются северный и южный географические полюса. Большой круг земной поверхности, образованный пересечением плоскости, проходящей через центр Земли перпендикулярно оси ее вращения, называется экватором. Он делит земной шар на Северное и Южное полушария. Линии сечения поверхности Земли плоскостями, параллельными плоскости экватора, называются параллелями, а линии сечения, образованные плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, называются меридианами. Для определения положения точки на земной поверхности используют две географические координаты — широту и долготу. Географическая широта (<р) —
231

это угол между плоскостью экватора и отвесной линией в точке, положение которой определяется. Широты отсчитываются в пределах от нуля (на экваторе) до 90° (на полюсах) в сторону Северного и Южного полюсов и называются соответственно Северной и Южной широтой. Географическая долгота () — это угол между нулевым (Гринвичским) меридианом и плоскостью меридиана, проходящего через точку, положение которой определяется. Долгота отсчитывается в пределах от нуля (на Гринвичском меридиане) до 180° на восток или на запад. Соответственно этому различают восточную или западную долготу. Орбита обращения Земли вокруг Солнца близка к окружности и представляет собой эллипс с малым эксцентриситетом (е = = 0,017). Солнце находится не в центре орбиты, а в одном из фокусов эллипса. Поэтому на протяжении года расстояние от Солнца до Земли периодически меняется: от 147,1 млн км (3 января) до 152,1 млн км (4 июля). Большая полуось земной орбиты определяет среднее расстояние Земли от Солнца и равно 149,6 млн км. Фокус орбиты отстоит от центра эллипса на 2,5 млн км. Самая близкая к Солнцу точка земной орбиты называется перигелием, а самая далекая — афелием или апогелием.
Перпендикулярная к солнечным лучам поверхность Земли на среднем расстоянии от Земли до Солнца за последние 3 млрд лет получала одинаковое количество солнечной энергии. Поэтому ее называют Солнечной постоянной, и она равна Е0 = = 1360 Вт/м2. Однако в данную точку земной поверхности количество поступающей солнечной энергии в течение года изменяется. Поэтому на Земле происходит смена времен года. Это изменение количества энергии происходит по двум причинам. Из-за изменения расстояния от Земли до Солнца в перигелии (3 января) количество энергии, поступающее на Землю, на 7% больше, чем в афелии (4 июля). Более существенно изменяется солнечная энергия, поступающая на данную поверхность Земли, из-за изменения наклона падения солнечных лучей. Это происходит в течение года вследствие обращения Земли вокруг Солнца, наклона земной оси к плоскости орбиты под углом 66°33' и сохранения этого наклона при обращении вокруг Солнца. Например, в Москве
232

в 4,6 раза больше солнечной энергии в день летнего солнцестояния 22 июня, чем в день зимнего солнцестояния 22 декабря. Количество падающей солнечной энергии зависит от географической широты и полуденной высоты Солнца над горизонтом.
В соответствии с видимым движением Солнца земная поверхность разделена на тепловые (климатические) пояса. Области земной поверхности, отстоящие от полюсов на 23°27', называются полярными кругами, или северным и южным холодным поясами. На границах полярных кругов один раз в году наблюдается полярный день и полярная ночь. Пояс земной поверхности, ограниченный по обе стороны от экватора географическими параллелями 23°27' (северным и южным тропиками), называется жарким или тропическим поясом. В этом поясе два раза в год Солнце в полдень проходит через самый зенит, и его лучи падают на земную поверхность отвесно. На самих тропиках Солнце проходит через зенит только один раз в год — 22 июня на северном тропике и 22 декабря — на южном тропике. Между полярными кругами и тропиками лежат умеренные пояса; в них никогда не бывает полярных дней и ночей, и Солнце никогда не проходит через зенит.
Данные геофизики, геохимии, геологии, физической географии и других наук привели к выводу о том, что земной шар в своем строении состоит из ряда концентрических оболочек, или геосфер. Геосферы одна от другой отличаются по химическому составу и агрегатному состоянию вещества, что определяется их термодинамическими условиями существования. В направлении от центра земного шара к космическому пространству выделяются следующие геосферы: литосфера, биосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. Литосфера и атмосфера, в свою очередь разделяются на ряд сферических слоев, не одинаковых по своим физическим свойствам. Приведем краткие данные о каждой сфере.
Литосфера, т. е. твердая сфера Земли, изучена методами анализа распространения сейсмических волн. Эти исследования показали, что плотность земных пород, увеличивающаяся к центру Земли, в некоторых местах дает скачкообразный рост.
233

По этим изменениям строение Земли разделяют на ядро, мантию и кору. Причем внешнее ядро находится в расплавленном состоянии, внутри которого имеется твердое ядро. Вещество внешнего ядра имеет свойства тягучей жидкости и обладает электропроводностью. Температура внутри Земли повышается с градиентом 2° на 100 м глубины. Причиной разогрева земного грунта является радиоактивный распад элементов в мантии. Сейчас считают, что кора вместе с гидросферой и атмосферой образовалась в результате вулканической деятельности — выбросы лавы, пара и газов из внутренних частей мантии. Вулканическая деятельность также привела к образованию гор. Возраст земной коры оценивается примерно в 3,8 млрд лет. В верхней части она образована осадочными, т. е. вторичными породами, кое-где с участием молодых вулканогенных пород. В океанических впадинах под осадочными имеется базальтовый слой. У материков между осадочной толщей и базальтовым слоем залегает еще гранитный слой. Пересекая поверхность Мохорови-чича, продольные сейсмические волны изменяют свою скорость скачкообразно: с 7,1 км/сна 8,1 км/с.
Мощнейшие толщи вторичных пород (в том числе и преобразованных в граниты) земной коры — ярчайший показатель необычно высокой активности действующих на Земле экзогенных процессов по сравнению с процессами на других планетах. Природа щедро раздала свои материальные ресурсы нашей планете. Но если сравнить их с наиболее часто употребляемыми материалами, то нетрудно заметить между ними некую обратно пропорциональную зависимость: чаще всего человек использует те вещества, запасы сырья которых ограничены, и, наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны. В самом деле, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов. Картина их распределения представлена на рис. 10.4.
В морфоструктурном отношении Земля резко отличается от других планет, в частности, широким распространением линейных форм, которых там или вообще нет, кроме тектонических
234

разломов, или они единичны и слабо выражены. Для человечества недра Земли являются кладовой полезных ископаемых. Их добыча из года в год растет, и в настоящее время человечество ежегодно извлекает из недр Земли более 1 млрд т железной руды, более 3 млрд т нефти, более 2,5 млрд т угля, миллиарды тонн строительных и других материалов.
Процесс формирования полезных ископаемых связан с эволюцией Земли. Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называется теорией неомо-билизма. Дрейф крупных плит литосферы с возвышающейся на них сушей называется неомобилизмом. Теория неомобилизма сегодня является основой всех наук о Земле. Она, в частности, вносит весомый вклад в описание таких процессов, происходящих в земной коре, как извержения вулканов и землетрясения.
Атмосфера Земли представляет собой газовое образование, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте нечетко, так как с высотой газы разреживаются и переходят в мировое пространство постепенно.
Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает живое от губительного воздействия далеких ультрафиолетовых солнечных излучений и космических лучей. Без атмосферы на Земле был бы резкий температурный контраст между освещенной и неосвещенной солнечным излучением сторонами планеты.
235

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов, вместе взятых, приходится 0,01%. Состав атмосферы до высоты 100 км существенно не изменяется, а выше кислород, а затем и азот находятся в атомарном состоянии. Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% ее сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое. Половина массы атмосферы находится до высоты 5-6 км, а 90% — до 16 км.
С высотой изменяется не только сама атмосфера (давление, плотность и температура воздуха), но и электрическое состояние атмосферы, а на больших высотах еще и состав. Поэтому в атмосфере выделяют несколько сфер с различными свойствами. К ним относятся: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера. Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км. В тропосфере находится почти весь водяной пар. Здесь формируется погода. Характерная особенность тропосферы — понижение температуры в среднем на 6 °С на каждый километр высоты. Над тропосферой находится стратосфера Ее верхняя граница расположена на высоте 50-55 км Стратосфера характеризуется возрастанием температуры с высотой. Стратосфера отличается от тропосферы малой турбулентностью воздушных масс, ничтожным содержанием водяного пара, повышенным содержанием озона. На высотах 20-25 км концентрация озона наиболее высокая, и этот тонкий слой называют озоносферой. Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы составляет -80 °С. Между высотами 80 км и 800 км располагается термосфера. В термосфере температура растет до 2000 °С из-за влияния радиации Солнца. Учитывая способность газов термосферы ионизировать, ее называют также ионосферой. Экзосфера — самая верхняя, сильно разряженная часть атмосферы с температурой 2000 °С.
Гидросфера, или водная оболочка Земли, не является сплошной и занимает 70,8% земной поверхности. Гидросфера
236

влияет на климат, создавая значительный парниковый эффект, сглаживает температурные контрасты различных участков земной поверхности за счет большой теплоемкости и переноса тепла из экваториальной области в умеренные и полярные широты. К гидросфере относятся Мировой океан и воды суши: реки, озера, подземные воды, ледники. Все они связаны между собой в планетарном процессе круговорота воды, газов и минеральных солей. Самое большое скопление воды на поверхности Земли составляет Мировой океан, который делится на Тихий, Атлантический, Индийский, и Северный Ледовитый. Интенсивное перемещение океанических вод происходит как за счет мощных течений, так и вследствие приливов и отливов. Поверхность океанов и морей постоянно покрыта волнами. Различают волны ветровые, цунами и барические. Первые из них возникают при ветре. Особенно большие волны вызывают штормы и ураганы. Волны цунами образуются при извержениях подводных вулканов и при подводных землетрясениях. Барические волны возникают при прохождении циклона. Значит, Мировой океан является самым большим скоплением воды на Земле, основным водохранилищем и колыбелью жизни нашей планеты, играет роль гигантского геохимического реактора и аккумулятора тепловой энергии.
В гидросферу Земли входят также реки и озера. Различают четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Озера занимают 2% поверхности суши. В целом гидросфера Земли представляет собой уникальное образование. Ничего подобного пока что не обнаружено ни на какой другой планете. Именно благодаря гидросфере на Земле присутствует живое вещество, и вполне возможно, что именно наличие гидросферы является основной причиной его возникновения.
Биосфера является одной из оболочек Земли, свойства которой обусловили появление, существование и развитие в ее пределах органической жизни. В биосферу включают нижнюю часть атмосферы (тропосферу), гидросферу и верхнюю часть литосферы. Таким образом, верхняя граница биосферы поднимается до высоты 33 км, где встречены бактерии, а нижняя
237

граница находится в литосфере на глубине 11 км, где обнаружены микроорганизмы в водах нефтяных месторождений. С жизнедеятельностью организмов связаны процессы газообмена, круговорот кислорода, углекислого газа, углекислоты и воды, а также малый биологический круговорот биогенных химических элементов. Кроме того, организмы принимают значительное участие в формировании геологических напластований в земной коре (ископаемые угли, ракушечные известняки и др.); изменяют рельеф поверхности Земли и играют первостепенную роль в развитии почв.
Магнитосфера обусловлена наличием вокруг нее магнитного поля. Земля обладает относительно большим магнитным полем. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, а магнитная ось Земли наклонена относительно оси вращения под углом около 11,5°. Причиной несоответствия современного геомагнитного поля древним полям (палеомагнетизм) являются горизонтальные перемещения отдельных частей земной коры. Магнитное поле Земли удерживает огромное число энергичных частиц, как электронов, так и протонов, образуя вокруг Земли ее магнитосферу. Частицы заполняются как огромные кольца или пояса, охватывающие Землю вокруг геомагнитного экватора.
Для людей важным процессом на Земле является погода. Погода определяется явлениями, происходящими в атмосфере при ее взаимодействии с земной поверхностью, Мировым океаном и Вселенной. Совокупность и последовательная смена всех возможных в данной местности условий погоды за многолетний промежуток времени называется климатом. Различают климат материка, какой-то его части, зоны, района, города. Погода и климат воздействуют на живое, существенно влияют на деятельность людей. Наука о земной атмосфере и происходящих в ней процессах называется метеорологией. Метеорологи разрабатывают и совершенствуют методы прогноза погоды, ищут способы изменения погоды и климата в необходимом для людей направлении.
Прежде всего климат любой части земного шара зависит от географической широты. Имеется зональность и высотная
238

поясность растительности, связанная с изменением количества приходящего на Землю тепла. Основными причинами зональности природы Земли являются ее шарообразность, суточное вращение и годовое обращение Земли вокруг Солнца. Количество поступающей солнечной энергии убывает от экватора к полюсам в зависимости от угла падения солнечных лучей и длины их пути через атмосферу. Это и является причиной географической зональности.
Поверхность Земли обладает различной отражающей способностью солнечных лучей (величиной альбедо). Больше всего солнечных лучей (от 80 до 97%) поглощает гидросфера. Поэтому Мировой океан является накопителем и главным источником тепла на Земле. Однообразием свойств водной поверхности объясняется равномерность и малая величина колебаний температуры над океанами. В отличие от водной, свойства поверхности суши разнообразны и ее участки поглощают разное количество солнечной энергии. Основной причиной движения воздуха на земном шаре, т. е. причиной возникновения ветров, является неравномерное распределение на поверхности Земли лучистой энергии Солнца.
К метеорологическим элементам, определяющим погоду, относятся: солнечная радиация, температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферное давление, ветер, облачность, осадки, снежный покров, видимость, метель, туманы и т. д.
При сближении теплового и холодного потоков воздуха горизонтальные перепады температуры, влажности и давления увеличиваются, а скорость ветра возрастает. Зоны, в которых холодные и теплые воздушные массы сближаются, называют переходными, или фронтальными. На этих фронтах из-за разности температур и давлений возникают обширные вихри, называемые циклонами и антициклонами. Как и на всякое движение относительно Земли, на направление и силу ветра существенное влияние оказывает вращение Земли (силы Кориолиса). Развиваясь, эти вихри охватывают всю тропосферу, достигая десятков тысяч километров в диаметре. Обычно с циклонами связана облачная с осадками погода, с антициклонами — ясная и малооблачная.
239

В циклоне преобладают восходящие движения воздуха, которые способствуют конденсации влаги, в антициклоне — нисходящие, при которых степень насыщения влагой уменьшается.
На низких географических широтах преобладают ветры, называемые пассатами и муссонами. Пассаты — это ветры, возникающие из-за различия атмосферного давления в экваториальной зоне. В Северном полушарии они имеют северо-восточное направление, в Южном — юго-восточное. Муссоны — это сезонные ветры, возникающие из-за разности температур воздуха над материками и океанами. Зимой они дуют с холодных материков к теплым океанам, летом — со сравнительно холодных океанов на нагретые материки.
В последнее столетие наблюдается глобальное потепление климата Земли. Причиной считается увеличение содержания в атмосфере углекислого газа, что является результатом хозяйственной деятельности людей.
Большинство обитателей Земли принимают свою планету такой, какая она есть. Конечно, люди ворчат на плохую погоду, жалуются на плохие урожаи или стихийные бедствия, но обычно не проводят критического анализа. Когда-то такое отношение было оправданно. Ведь у человека не было выбора — родившись на Земле, он должен был принимать ее гостеприимство. Теперь, в эпоху освоения космического пространства, уместно спросить: не стоит ли переселиться на другую планету или обосноваться в космическом корабле? Окинем же нашу родную планету критическим взглядом. Посмотрим, в какой степени безопасны мы на Земле, какие опасности таятся в космосе и какие уникальные условия необходимы для поддержания хрупкого творения, которое мы называем жизнью.
Среди планет земной группы Земля достигла высокой степени эволюции благодаря исключительному динамизму развития, широкому диапазону интенсивных природных процессов. Коренные изменения планеты произошли в ее внешней области — в строении коры, устройстве поверхности, составе атмосферы и климатической обстановке. По сравнению с другими планетами Земля обладает наибольшей плотностью,
240

а следовательно, и большим количеством радиогенной и гравитационной энергии, что обеспечивает ей чрезвычайно активную внутреннюю жизнь.
Разрез земного шара показан на рис. 10.5.

Сейсмическое зондирование земных недр установило факты их дифференциации на концентрические сферы. Это установлено из анализа изменения скорости прохождения сейсмических волн — продольных (Р) и поперечных (S). В твердом веществе земных недр плотность с глубиной возрастает и соответственно увеличивается скорость прохождения сейсмических волн. Через жидкую среду (внешнее ядро) поперечные волны не проходят, а скорость продольных снижается.
Сила притяжения Земли оказалась достаточной для удержания выделявшихся из ее недр газов и паров воды, из которых сформировались плотная атмосфера и мощная гидросфера.
241

Земная поверхность как бы надежно защитилась от воздействия космоса (сильного охлаждения, проникновения губительной для всего живого коротковолновой радиации Солнца и космических лучей), а также и от метеоритной бомбардировки. Атмосфера обладает еще одним важным свойством — парниковым эффектом. Благодаря ему средняя температура земной поверхности поднялась на 38 °С, т. е. вместо равновесной температуры земной поверхности в -23 °С ее действительная температура составляет в настоящее время +15 °С.
Гидросфера, благодаря высокой теплоемкости и низкой теплоотдаче, сильно смягчает температурную контрастность земной поверхности. Этому способствует и облачный покров, распространенный приблизительно на 50% поверхности земного шара.
На Земле мало мест, где максимальные годовые амплитуды температур превышали 100 °С (Центральная Якутия). Колебания остальных мест крайне малы — на экваторе не более 10 °С, в среднем максимальные колебания можно считать +50 °С до -50 °С. Для функционирования природной среды важно, что в этом температурном интервале гидросфера может находиться во всех трех фазах: жидкой, твердой, газообразной. Воды на Земле так много (причем 95% ее находится в жидкой фазе), что если бы ее равномерно распределить по поверхности, то образовался бы слой толщиной в 2,7 км, т. е. Землю можно считать океанической планетой. В самом деле, 71% поверхности Земли приходится на океаны и моря, и только 29% площади, т. е. в ~ 2,5 раза меньше, занимает суша.
На Земле экзогенные процессы (перемещения и преобразования вещества под влиянием солнечной энергии) протекают в бурном темпе, что оказывает существенное воздействие даже на общую эволюцию планеты, а тем более на ее внешнюю область. Экзогенный фактор на Земле может при соответствующих условиях не только свести на нет морфологический эффект действия эндогенного фактора (перемещения и преобразования под воздействием внутренней энергии), но и полностью нейтрали-
242

зовать фундаментальный космический фактор — метеоритную бомбардировку.

10.3. Состав и строение Солнечной системы

Приход наш и уход загадочны, —
их цели все мудрецы Земли
осмыслить не сумели.
Где круга этого начало, где конец,
откуда мы пришли, куда уйдем
отселе?
Омар Хайям

Солнечная система представляет собой комплекс небесных тел, объединенных не только упорядоченностью движения, но и общностью физических свойств. В центре Солнечной системы находится наша дневная звезда — Солнце. Вокруг него вместе со своими спутниками обращаются 9 больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.
Их физические характеристики приведены в табл. 10.1 и 10.2.
Меркурий — ближайшая к Солнцу планета и наименьшая из планет земной группы. Ее диаметр составляет 0,383 диаметра Земли, а масса 0,056 земной массы. Период вращения Меркурия вокруг оси равен 58,65 земных суток. Это близко к 2/3 периода обращения планеты вокруг Солнца (88 земных суток). Значит, одни сутки на Меркурии длятся два меркурианских года. К Земле Меркурий обращен всегда одним и тем же полушарием. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну с множеством ее кратеров, гор и морей. На Меркурии имеются следы сильно разреженной атмосферы, в состав которой входят водород, гелий, кислород, а также аргон и неон. Температура поверхности планеты колеблется от -180 °С до +430 °С. У планеты слабое магнитное поле. Спутников Меркурий не имеет.
Венера — вторая по расстоянию от Солнца и ближайшая к Земле планета Солнечной системы. Видна как "вечерняя звезда"
243

Таблица 10.1 Физические характеристики планет Солнечной системы

Таблица 10.2 Динамические характеристики планет Солнечной системы

в западной стороне неба сразу после захода Солнца или как "утренняя звезда" — в восточной стороне неба незадолго до восхода Солнца. Венера — самое яркое светило на небе после Солнца и Луны. Венера вращается вокруг оси не с запада на восток, как
244

Земля, а в обратном направлении — с востока на запад. Венера окутана плотной атмосферой, почти целиком состоящая из углекислого газа (97%) с примесью азота, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление — свыше 90 атм. Температура вблизи поверхности планеты достигает +470 °С. Поверхность планеты сухая и каменистая. На ней замечены обширные равнины, но есть и горы. Их наибольшая высота достигает 12 км. По-видимому, там много и вулканов. Естественных спутников у Венеры нет.
Марс — четвертая от Солнца планета Солнечной системы. На звездном небе он выглядит как немерцающая точка красного цвета. Марс вдвое меньше Земли по диаметру и в девять раз — по массе. Период вращения планеты вокруг оси 24 ч. 37 мин. 23 с. Наклон оси вращения Марса к плоскости орбиты почти такой же, как и у Земли (около 25°), поэтому на Марсе есть смена времени года, похожая на земную, хотя продолжительность марсианского года близка к 687 земным суткам. Атмосфера Марса сильно разрежена и состоит в основном из углекислого газа с примесью азота, аргона, кислорода и водяных паров. Атмосферное давление у поверхности планеты в 160 раз меньше, чем на уровне моря на Земле. В атмосфере Марса часто возникают ветры и даже ураганы, вызывающие пылевые бури. Среднегодовая температура планеты -70 °С. При этих условиях жидкой воды на Марсе быть не может, и она существует только в виде пара, снега или льда. Марс обладает магнитным полем в 500 раз более слабым, чем магнитное поле Земли. На снимках, сделанных во время полетов автоматических межпланетных станций, поверхность планеты выглядит как красная, безводная, усеянная камнями пустыня с изрезанным рельефом. На Марсе есть кратеры, имеются горы, некоторые из них являются потухшими вулканами. Самая крупная во всей Солнечной системе вулканическая гора Олимп возвышается более чем на 20 км над поверхностью планеты. Марс имеет два естественных спутника — Фобос и Деймос.
Юпитер — самая крупная планета Солнечной системы и пятая по расстоянию от Солнца. Свое название она получила в честь римского бога неба, громовержца Юпитера. Масса планеты почти в 2,5 раза превышает суммарную массу остальных планет
245

и в 318 раз массу Земли. Диаметр Юпитера больше диаметра Земли в 11,2 раза. Юпитер отстоит от Солнца в 5,2 раза дальше, чем Земля, и затрачивает на один оборот по орбите почти 12 лет. Вокруг своей оси Юпитер вращается быстрее любой другой планеты Солнечной системы. В телескоп планета видна сжатой у полюсов с заметным рядом светлых и темных полос, которые каждый год располагаются по-разному. Юпитер окружен толстой водородно-гелиевой атмосферой, в верхних слоях которой температура около -160 °С. Особенность этой планеты в наличии знаменитого Большого Красного пятна — огромного газового образования овальной формы и розового цвета, по размерам превышающего размеры земного шара. Предположительно, оно представляет собой грандиозный вращающийся вихрь. Юпитер обладает мощным магнитным полем, а также является источником довольно сильного радиоизлучения. Вокруг Юпитера вращаются 16 спутников, четыре наиболее крупные из которых были открыты в 1610 г. Галилеем. Кроме спутников Юпитер окружен кольцом из мелких камней и пыли. Оно всегда обращено к Земле ребром, поэтому с Земли не видно.
Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы. Имея массу, равную примерно 95 земным массам, и объем более 758 земных объемов, обладает самой низкой средней плотностью по сравнению с другими планетами. В атмосфере Сатурна присутствуют водород, метан и другие газы. Вблизи верхней границы облаков температура около -170 °С. Планета обладает магнитным полем и является источником радиоизлучения. Сатурн имеет 17 спутников, самый крупный из них — Титан. Одно из хорошо известных и интересных небесных образований — кольца Сатурна.
Уран — седьмая по порядку от Солнца планета Солнечной системы. Это первая из планет, открытая с помощью телескопа. Уран относится к числу планет-гигантов. По диаметру он почти в 4 раза, а по массе — приблизительно в 14,6 раза больше Земли. Расстояние от Урана до Солнца почти в 20 раз больше, чем от Земли до Солнца, и он совершает полный оборот вокруг нашего светила за 84 года. Уран, подобно Венере, вращается вокруг своей
246

оси в направлении с востока на запад (а не с запада на восток, как Земля и другие планеты). Уран сильно сжат у полюсов. Его атмосфера состоит наполовину из водорода. Кроме того, в ней присутствуют метан, аммиак и гелий. Температура на поверхности облачного слоя планеты — около -215 °С. Уран имеет девять узких непрозрачных газопылевых колец и 16 спутников.
Нептун — восьмая по расстоянию от Солнца большая планета Солнечной системы. Диаметр Нептуна равен 3,81 диаметра Земли, а масса — 17,2 земных масс. Планета сильно сжата и быстро вращается вокруг своей оси. Она состоит, по-видимому, из замороженной воды и других распространенных в космосе водородных соединений. 20% массы приходится на соединения кремния и металлов. Планета получает от Солнца в 900 раз меньше тепла, чем Земля. Температура на поверхности Нептуна -200-220 °С Планета окутана плотной водородно-гелиевой атмосферой с примесью метана и аммиака. Нептун имеет 8 спутников и кольца такой же природы, как и у Юпитера.
Плутон — наименьшая среди известных нам планет Солнечной системы и наиболее далекая от Солнца. Плутон был открыт сравнительно недавно. Плутон находится в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, и получает от него в 1600 раз меньше тепла и света, чем наша планета. Плутон — это холодный темный и безмолвный мир, поверхность которого покрыта метановым льдом. Температура планеты рекордно низка: -230 °С. Период вращения Плутона равен 6,4 сут., а период обращения — почти 248 лет. В 1978 г. американский астроном Дж. Кристи открыл у Плутона один спутник, названный Хароном. Он удален от планеты на расстояние в 17 000 км.
Солнечная система обладает рядом важных особенностей. Перечислим основные из них.
1. Подавляющая часть полной массы Солнечной системы принадлежит Солнцу, т. е. центральному телу. На долю Солнца приходится 99,87% массы Солнечной системы, так что сила его притяжения почти полностью управляет движением планет, которые обращаются вокруг него по орбитам, близким к эллип-
247

сам. Поэтому Солнце находится почти точно в центре планетных орбит.

1. Орбиты всех планет и большинства астероидов близки к окружностям и лежат приблизительно в плоскости эклиптики, т. е. в плоскости земной орбиты. Наибольшим наклоном к эклиптике (земной орбите) и наибольшей вытянутостью обладают орбиты Плутона (17°) и Меркурия (7°).
2. По размерам, массе и общему строению большие планеты делятся на две группы: на планеты типа Земля (или планеты земной группы), расположенные внутри пояса астероидов, и планеты-гиганты (вне его). Плутон занимает особое положение, отличаясь от планет обеих групп.

Планеты типа Земля значительно меньше гигантов по массе и размерам. Они обладают большей средней плотностью вещества и сравнительно медленным вращением.
Планеты-гиганты в десятки и сотни раз массивнее планет земной группы. Они окружены сравнительно плотными протяженными атмосферами. В основном планеты-гиганты состоят из водорода и гелия; доля всех других элементов в них значительно меньше, чем у планет земной группы.
4. Все планеты обращаются вокруг Солнца в одну сторону,
причем направление их осевого вращения, как правило, совпада
ет с направлением движения по орбите. Исключение составляют
лишь Венера и Уран, которые вращаются в противоположную
сторону, причем ось вращения Урана почти лежит в плоскости
орбиты.
Перечисленные особенности связаны с теми условиями, в которых происходило формирование планет миллиарды лет тому назад.
Возраст Солнечной системы был определен на основании лабораторного изотопного анализа земных скальных пород, а также метеоритов и доставленных на Землю космическими аппаратами образцов лунного грунта. Оказалось, что наиболее старые из них имеют возраст около 4,5 млрд лет. Возраст Солнца, полученный на основе теории эволюции звезд, оценивается примерно в 5 млрд лет. Поэтому считается, что все планеты
248

сформировались приблизительно в одно время — 4,5-5 млрд лет тому назад.
Согласно существующим представлениям, вещество, из которого возникли планеты и их спутники, первоначально образовывало массивный диск из холодного газа и пыли, окружавший еще молодое Солнце. Планеты сформировались в результате роста сгущений, возникших под действием сил гравитации в этом вращавшемся диске. Поэтому и сейчас все они, сохраняя движение диска, обращаются вокруг Солнца в одну и ту же сторону. Плотность, температура и химический состав протопланетного вещества были весьма различными во внешних, далеких от Солнца, и внутренних, близких к нему, частях диска. Это привело к сильному различию двух групп планет — внутренних и внешних.
Две основные причины, определяющие важнейшие свойства каждой планеты, — это ее расстояние от Солнца и масса. Чем больше среднее расстояние планеты от Солнца, тем меньше энергии от него она получает. По этой причине температура планет быстро падает с увеличением расстояния от Солнца. Напомним, что, в отличие от далеких планет, планеты земной группы, расположенные ближе к Солнцу, содержат очень много тугоплавких элементов (кремний, железо и др.). По-видимому, это отражает особенности химического состава того протопланетного газопылевого диска, из вещества которого сформировались планеты: чем дальше от Солнца, тем больше легких газов содержалось в протопланетном диске. Причина этого в том, что на больших расстояниях от Солнца при более низких температурах молекулы легких газов могли намерзать на пылинки, в то время как вблизи Солнца легкие газы нагревались и покидали протопланетный диск.
Масса планеты определяет ее способность удерживать вокруг себя атмосферу. Газ всегда стремится к расширению, и газовые атмосферы удерживаются вокруг планет только благодаря гравитационному притяжению к ним. Но из атмосферы любой планеты непрерывно происходит утечка вещества в межпланетное пространство. Причина этого понятна: тепловое
249

движение молекул газа. Скорость каждой молекулы постоянно меняется из-за столкновений с другими молекулами. Если скорость случайно превысит вторую космическую, то такая молекула навсегда может покинуть разряженные внешние слои атмосферы планеты. Чем меньше масса планет, тем слабее ее гравитационное притяжение и тем быстрее она теряет свою атмосферу, поскольку наиболее "быстрым" молекулам легче покинуть ее. Из физики известно, что средняя скорость теплового движения молекул и атомов пропорциональна, , где Т — абсолютная температура газа, а m0 — масса его молекул (или атомов). Поэтому при любой температуре быстрее всего покидают атмосферу молекулы легких газов, имеющие более высокую среднюю скорость. Следовательно, со временем масса атмосферы и ее химический состав должны меняться. В атмосферах планет земной группы осталось очень мало легких газов (водорода и гелия). Меркурий из-за небольшой массы и высокой температуры, обусловленной близостью к Солнцу, практически вовсе лишен атмосферы. Атмосфера Марса из-за слабости его гравитационного поля сильно разряжена, а Луна и спутники планет вообще не смогли удержать вблизи себя газовую оболочку. Исключение составляет массивный и холодный спутник Сатурна — Титан, имеющий атмосферу, содержащую много достаточно тяжелого газа — азота, и небольшой спутник Юпитера—Ио. Последний теряет атмосферу непрерывно, но она постоянно пополняется за счет извержения вулканов, которые вместе с выбросом лавы выделяют много газов. По-видимому, и у планет земной группы (в том числе и у Земли) вулканические извержения и выделения газов из недр сыграли решающую роль в образовании атмосфер, когда планеты были еще молодыми.
На твердой поверхности больших планет (особенно не обладающих атмосферой) и их спутников наблюдаются многочисленные кратеры — результат метеоритной бомбардировки. Она происходит и в наше время. Однако наиболее интенсивной она была миллиарды лет тому назад. Такие тела, как Луна, Меркурий, спутник Юпитера Каллисто и другие, где кратеров очень много и где они мало разрушались, сохранили большую часть
250

своей поверхности в том виде, какой она была миллиарды лет назад. На Венере, Марсе и на некоторых спутниках (частично и на Луне) происходил процесс постепенного исчезновения старых кратеров. Они могли заполняться лавой (на Луне), разрушаться под действием ветра (как, например, на Марсе) или воды (как на Земле). Поэтому изучение поверхностей различных планет и спутников дает возможность узнать о далекой их истории и путях эволюции.
Сильные магнитные поля обнаружены пока у трех планет: Земли, Юпитера и Сатурна. По-видимому, они связаны с существованием электрических токов в расплавленных недрах этих планет. Если планеты земной группы Меркурий, Венера, Земля и Марс имеют относительно большую плотность и состоят из тяжелых элементов, то планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют плотность чуть больше, чем у воды и состоят из легких элементов водорода и гелия. Они имеют мощные протяженные атмосферы, переходящие в жидкий слой поверхности. Например, Юпитер состоит в основном из водорода, 18% по массе приходится на гелий, имеется примесь аммиака NH3 и метана СН4 (болотного газа). Хотя планеты-гиганты холодны и безжизненны, благодаря огромным расстояниям между ними и большим массам он обладает многочисленными семействами спутников. Система Сатурна имеет даже более разительное сходство с Солнечной системой в целом не только потому, что у этой планеты 17 спутников (больше, чем число известных планет), но и потому, что она обладает также большими кольцами — миниатюрным "поясом астероидов". Кольца состоят из мелких частиц, покрытых льдом и обращающихся вокруг Сатурна в диске, относительная толщина которого по сравнению с его шириной меньше, чем у листа бумаги. Уран и Юпитер также имеют кольца, хотя они много слабее и поэтому их трудно наблюдать. Возможно, они есть и у Нептуна.
Помимо больших планет и их спутников, в состав Солнечной системы входят тысячи малых планет — астероидов, находящихся в основном между орбитами Марса и Юпитера, где они образуют так называемый пояс астероидов. Кроме того,
251

в межпланетном пространстве по очень вытянутым орбитам движутся твердые ледяные тела, окруженные газовой оболочкой, — кометы и множество камней и частиц самых различных размеров: метеоры и метеориты (рис. 10.6).

Астероиды. Большая часть астероидов (более пяти тысяч тел размером от одного километра до тысячи километров) движется между орбитами Марса и Юпитера. Орбиты их, как правило, не слишком сильно отличаются от окружностей. Периодические изменения яркости, наблюдаемые у некоторых астероидов, указывают на то, что они обладают неправильной формой, неровной поверхностью и вращаются вокруг своих осей. Поверхности астероидов, как и спутников планет, должны нести следы ударов более мелких тел. Атмосфер у астероидов нет.
Кометы — эти странные небесные скитальцы вызывали у людей суеверный страх чаще, чем любые другие небесные
252

тела. Большинство комет движется по чрезвычайно вытянутым орбитам и при каждом обороте приближаются к Солнцу лишь на непродолжительное время. В перигелии, при максимальном сближении с Солнцем, их блеск очень сильно возрастает. В это время они столь активны, что теряют заметную долю своего вещества и вокруг их ядра образуется протяженная атмосфера (кома) из газа и мелких пылевых частиц. Под давлением солнечного излучения и выброшенных Солнцем частиц кометный газ и пыль покидают голову кометы, порождая протяженный хвост, а то и несколько хвостов всегда сложной структуры. Вероятно, кометы внесли свой вклад в обогащение вещества Солнечной системы такими легкими летучими составляющими, как углерод и вода, без которых была бы невозможна жизнь на Земле.

10.4. Солнце, звезды и межзвездная среда

К дальним звездам, в небесную
роздымъ
улетали ракеты не раз.
Люди, люди — высокие звезды,
долететь бы мне только до вас.
Р. Гамзатов

Солнце — это наша звезда. Изучая Солнце, мы узнаем о многих явлениях и процессах, происходящих на других звездах и недоступных непосредственному наблюдению из-за огромных расстояний, которые отделяют нас от звезд. Радиус Солнца в 109 раз, а объем в 1,3 млн раз, масса в 333 000 раз больше соответственно радиуса, объема и массы Земли.
Энергия, получаемая Землей от Солнца, характеризуется солнечной постоянной. Солнечной постоянной называется величина, определяемая полной энергией, которая падает в 1 с на площадку в 1м2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы на среднем расстоянии Земли и Солнца. За последние 3 млрд лет она не изменилась и составляет 1360 Вт/м2. Значит, полная энергия, излучаемая Солнцем в единицу времени, постоянна. Эта энергия, называ-
253

емая светимостью (L0) Солнца, т. е. мощность его излучения, составляет L0 = 4 • 1026 Вт.
Существуют различные способы определения температуры Солнца, все они основаны на физических законах, открытых на Земле и действующих во всей доступной наблюдателям части Вселенной. Эти методы дают величину температуры поверхности Солнца 6000 К. При температуре 6000 К вещество находится на Солнце в газообразном состоянии, причем атомы некоторых химических элементов ионизированы. С глубиной температура растет, а вместе с тем увеличивается число ионизированных атомов. Поэтому основное состояние, в котором находится вещество на Солнце, — это плазма, а Солнце — это раскаленный плазменный шар.
Отождествление линий в спектре Солнца с линиями в спектрах химических элементов, изучаемых в лабораторных условиях, позволяет определить состав атмосферы Солнца. На Солнце обнаружено более 70 химических элементов. Никаких "неземных" элементов Солнце не содержит. Самые распространенные элементы на Солнце — водород (около 70% всей массы Солнца) и гелий (более 28%). Гелий ("солнечный газ") был впервые открыт на Солнце и только почти через 30 лет — на Земле.
Источником энергии Солнца является термоядерный синтез ядер водорода с образованием ядер гелия. Это происходит в ядре Солнца, составляющем четверть его радиуса. Температура в центре Солнца 14 млн К. Перенос энергии, выделяющей при ежесекундном сгорании в ядре Солнца 600 млн т водорода, происходит в зоне лучистого переноса энергии, а затем конвективной зоне. Солнце излучает электромагнитное излучение во всем диапазоне длин волн от -лучей до радиоволн, максимум видимого излучения которой находится на длине волны 5000А°. Видимое излучение Солнца образуется в самом нижнем слое атмосферы Солнца — фотосфере. Атмосфера состоит также из хромосферы и короны. Кроме излучения от Солнца распространяется поток частиц — протонов, нейтронов, электронов, называемых солнечным ветром. На расстоянии Земли их скорость составляет 400 км/с. Когда Солнце спокойное, солнечный ветер стабильный, но
254

во время солнечной активности их поток усиливается. Солнечная активность на Солнце проявляется в виде пятен, факелов, вспышек, протуберанцев и других явлений. Она проявляется периодически в среднем через 11 лет. Солнечная активность влияет на земные процессы.
Звезды — это массивные горячие газовые шары. В них сосредоточено более 95% всего вещества, наблюдаемого в природе. Изучая, как распределены в пространстве звезды и их скопления, ученые исследуют тем самым строение окружающего нас мира, структуру Вселенной. Звезды различаются большим разнообразием размеров, масс, светимостей, цветом, температурой. По массам есть звезды, превосходящие Солнце в 80 раз, но есть и составляющие 0,05 массы Солнца. По светимостям звезды имеют в 100 000 раз большую и столько же раз меньшую светимость. Диапазон поверхностных температур звезд охватывает от 3000 К до 50 000 К. Цвет звезды зависит от температуры. При 3000 К звезда красная, при 6000 К — желтая, при 10 000 белая, при больших — голубая. Время существования звезд зависит от массы. Массивные звезды существуют меньше, чем легкие. Диапазон времен существования звезд составляет от 100 млн до сотен миллиардов лет. В звездах произошло и происходит образование большинства химических элементов, из которых состоит вещество окружающего нас мира. Атомы любого вещества на Земле, включая и те, из которых состоим мы сами, когда-то, еще до того как возникла Солнечная система, родились или пребывали в недрах звезд.
Получение спектров звезд и их сравнение со спектрами лабораторных газовых источников сразу же позволили сделать вывод о том, что звезды состоят из известных на Земле химических элементов. В Солнце и звездах были найдены практически все элементы периодической системы элементов Менделеева, кроме неустойчивых изотопов и самых тяжелых атомов. У большинства звезд около 98% массы приходится на водород и гелий — самые легкие элементы, причем по массе водорода примерно в 2,5 раза больше, чем гелия. На долю всех остальных тяжелых элементов приходится менее 2% массы.
255

Хотя звезды состоят из знакомых нам химических элементов, звездный газ обладает двумя важными особенностями. Во-первых, если в обычных, "земных" условиях газ состоит из молекул, то в звездах из-за высокой температуры молекулы распадаются (диссоциируют) на отдельные атомы, так что звездный газ атомарный. Лишь во внешних слоях наиболее холодных звезд, где температура не превышает 4000 К, имеются наиболее устойчивые радикалы или молекулы, например CN, СН3, ОН, TiO. Во-вторых, основная масса звездного газа ионизирована. Это также вызвано высокой температурой газа.
Так как звезды заметно не меняют своих размеров, можно считать, что их вещество находится в равновесии: газовое давление внутри звезды само устанавливается как раз таким, чтобы удержать звезду от гравитационного сжатия. Это равновесие устойчиво, в противном случае ни звезд, ни Солнца в природе не существовало бы.
Температура и плотность газа внутри звезд быстро возрастает вглубь. Так, в центре Солнца температура составляет около 14 млн градусов, а плотность газа примерно в 150 раз больше, чем у воды. По существующим оценкам, большинство звезд может светить, не переставая, многие миллиарды лет. Наше Солнце излучает свет уже около 5 млрд лет. Это в несколько раз больше возраста самых древних ископаемых растений.
Откуда звезды черпают излучаемую ими энергию? Основным источником энергии звезд считаются взаимодействие между атомными ядрами. Известно, что при термоядерных реакциях происходит слияние (синтез) легких ядер атомов с образованием более тяжелых ядер других атомов. В недрах звезд происходит взаимодействие между ядрами водорода — протонами. При температуре 10-30 млн градусов, существующей в центральных областях большинства звезд, средняя скорость движения протонов составляет несколько сотен километров в секунду. Наиболее энергичные протоны, сталкиваясь, взаимодействуют между собой довольно сложным образом. В результате этого взаимодействия четыре протона могут образовать одно ядро атома гелия. Такая реакция сопровождается выделением энергии. Это
256

поддерживает высокую температуру в недрах звезды. Получается, что звезды как бы "подогреваются" из центра. Реакцию превращения водорода в гелий можно представить так:

Так как масса четырех протонов больше массы ядра атома гелия, то этот избыток массы и уносится квантами излучения и нейтрино по соотношению Эйнштейна Е = mc2 = hv. Звезды типа Солнца каждую секунду теряют на излучение массу в миллионы тонн. При этом сотни миллионов тонн водорода ежесекундно превращаются в гелий. У звезд, температура которых в центре существенно выше, чем у Солнца, может происходить синтез более тяжелых элементов из гелия. Эти реакции также сопровождаются выделением энергии, способной поддерживать излучение звезд. Так, в красных гигантах и сверхгигантах, в недрах которых температура превышает сотни миллионов градусов, могут идти реакции слияния ядер гелия, приводящие к образованию ядер углерода и кислорода (из трех и четырех ядер гелия соответственно).

Большая часть углерода и кислорода, существующих в природе, возникла в недрах таких звезд. В звездах путем слияния атомных ядер возникают новые химические элементы, которых, таким образом, в природе становится все больше и больше. Химические элементы, составляющие нашу Землю и все, что на ней существует, в большинстве своем также сформировались в недрах звезд миллиарды лет назад, когда еще не существовало ни Земли, ни Солнца.
Согласно современным представлениям, звезды образуются путем конденсации весьма разряженной межзвездной газопылевой среды. Плотность межзвездной газовой среды ничтожна. Химический состав межзвездного газа довольно хорошо исследован. Он сходен с химическим составом наружных слоев
257

звезд. Преобладают атомы водорода и гелия, атомов металлов сравнительно немного. В довольно заметных количествах присутствуют простейшие молекулярные соединения (например, СО, CN). Возможно, что значительная часть межзвездного газа находится в форме молекулярного водорода. Кроме газа в состав межзвездной среды входит космическая пыль. Размеры таких пылинок составляют 10-4 -10-5 см. Они являются причиной поглощения света в межзвездном пространстве. Космическая пыль, так же как и связанный с ней межзвездный газ, сильно концентрируется к галактической плоскости. Толщина газопылевого слоя составляет всего лишь около 250 пк. Межзвездный газ и пыль смешаны. Для этой среды характерно резко выраженное "клочковатое" распределение. Она существует в виде облаков (в которых плотность раз в 10 больше средней), разделенных областями, где плотность ничтожно мала. Эти газопылевые облака сосредоточены в преимущественно в спиральных ветвях Галактики и участвуют в галактическом вращении. Наиболее плотные из таких облаков наблюдаются как темные или светлые туманности.
В отдельных областях межзвездного пространства газ находится преимущественно в молекулярном состоянии. За последние 30 лет, истекшие после открытия в межзвездной среде радиолинии ОН и Н20 было открыто много других радиолиний межзвездного происхождения, принадлежащих различным молекулам. Полное число обнаруженных таким образом молекул уже превышает 50. Среди них особенно большое значение имеет молекула СО, радиолиния которой наблюдается почти во всех областях межзвездной среды. Довольно неожиданным было обнаружение в таких облаках радиолиний весьма сложных многоатомных молекул, например СН3СОН, CH3CN и др. Это открытие, возможно, имеет отношение к проблеме происхождения жизни во Вселенной.
Сравнительно недавно астрономы получили ряд косвенных доказательств наличия межзвездных магнитных полей, связанных с облаками межзвездного газа и движущихся вместе с ними. Межзвездные магнитные поля играют решающую роль
258

при образовании плотных газопылевых облаков межзвездной среды, из которых конденсируются звезды. Масса межзвездного газа в нашей Галактике близка к миллиарду солнечных масс, что составляет немногим больше 1% от полной массы Галактики, обусловленной в основном звездами. В других звездных системах относительное содержание межзвездного газа меняется в довольно широких пределах. У эллиптических галактик оно очень мало, около 10-4 и даже меньше, в то время как у неправильных звездных систем (типа Магеллановых Облаков) содержание межзвездного газа доходит до 20 и даже 50%. Это обстоятельство тесно связано с вопросом об эволюции звездных систем.

10.5. Галактики

Кругом тот мир, где я кажусь ничем; во мне роятся мысли, все обнять готовые...
Байрон

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют лишь ничтожно малую часть гигантского коллектива звезд и туманностей, которая называется Галактикой. Это скопление звезд мы видим в ясные безлунные ночи как пересекающую небо полосу Млечного Пути. Галактика имеет довольно сложную структуру. В первом, самом грубом приближении мы можем считать, что звезды и туманности, из которых она состоит; заполняют объем, имеющий форму сильно сжатого эллипсоида вращения. В действительности оказывается, что разные типы звезд совершенно по-разному концентрируются к центру Галактики и к ее "экваториальной плоскости". Основная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске, диаметр которого около 100 тыс. световых лет, а толщина около 1600 световых лет. В этом диске насчитывается 200 млрд звезд самых различных типов.
Наша Галактика — это гигантский звездный остров, в состав которого входит Солнечная система. Галактика имеет спиральную структуру и состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. А такие галактики составляют около 50% всех звездных
259

систем. Диаметр звездного ядра Галактики составляет не менее 4000 световых лет, а его масса равна примерно 5% массы всей Галактики. В состав ядра Галактики входит много красных гигантов и короткопериодических цефеид — пульсирующих звезд. Они периодически расширяются и сжимаются. Сжатие наружных слоев вызывает их нагрев. Ядро Галактики не видно в обычных лучах из-за поглощения света пылевыми облаками, но его можно сфотографировать в инфракрасных лучах.
Наше Солнце — одна из этих звезд, находящаяся на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости (точнее, "всего лишь" на расстоянии около 30 световых лет — величина достаточно малая по сравнению с толщиной звездного диска). Расстояние от Солнца до ядра Галактики (или ее центра) составляет около 30 тыс. световых лет и 22 000 световых лет от края Галактики. Звездная плотность в Галактике весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра, где, по последним данным, достигает 2 тыс. звезд на кубический парсек, что в 20 тыс. раз больше средней звездной плотности в окрестностях Солнца. Кроме того, звезды имеют тенденцию образовывать отдельные группы или скопления. В Галактике имеются и структурные детали гораздо больших масштабов. Исследованиями последних лет доказано, что туманности, а также горячие массивные звезды распределены вдоль ветвей спирали. Особенно хорошо спиральная структура видна у других звездных систем — галактик. Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом. Прежде всего они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной к ее экваториальной плоскости. Это вращение не такое, как у твердого тела: различные участки Галактики имеют разные периоды вращения. Так, Солнце и окружающие его в огромной области размерами в несколько сотен световых лет звезды совершают полный оборот за время около 200 млн лет. Так как Солнце вместе с семьей планет существует, по-видимому, около 5 млрд лет, то за время своей эволюции (от рождения из газовой туманности до нынешнего состояния) оно совершило примерно 25 оборотов вокруг оси вращения Галактики. Скорость
260

движения Солнца и соседних с ним звезд по их почти круговым галактическим орбитам достигает 250 км/с. На это регулярное движение вокруг галактического ядра накладываются хаотические, беспорядочные движения звезд. Скорости таких движений значительно меньше — порядка 10-50 км/с, причем у объектов разных типов они различны. Меньше всего скорости у горячих массивных звезд (6-8 км/с), у звезд солнечного типа они около 20 км/с. Звезды почти никогда не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами в Галактике.
Значительная роль в Галактике принадлежит темной диффузной материи. Плотность диффузных туманностей очень мала, в среднем 10_23г/см3, или несколько атомов водорода на 1 см3. Газовые диффузные туманности образуют в галактической плоскости слой толщиной всего лишь около 1200 световых лет. Они принадлежат к населению, характерному для спиральных ветвей Галактики. Размеры туманностей огромны — от нескольких световых лет до сотни световых лет. Но ввиду огромной протяженности туманностей их масса весьма велика и составляет несколько сот миллионов солнечных масс. Возможно, часть диффузного вещества была выброшена горячими звездами в ходе их эволюции; происхождение же остального вещества еще неясно. Галактика включает в себя около 100 миллионов диффузных туманностей, состоящих из пыли и межзвездного газа. Общая масса Галактики составляет примерно около 120 миллиардов солнечных масс, или 2,5 1044 г. Если говорить о массе видимого вещества нашей галактики, то примерно 95% его приходится на долю звезд, а около 5% — на межзвездный газ и пыль. Пространство Галактики пронизано потоками заряженных частиц огромных энергий, а на межзвездный газ действует магнитное поле.
Другие галактики. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики, каждая из которых, подобно нашей, состоит из многих миллиардов звезд. Таким образом, наблюдаемая нами
261

часть Вселенной, называемая Метагалактикой, представляет собой совокупность звездных систем — галактик, движущихся в огромном пространстве Космоса. Ближайшие к нашей звездной системе галактики — Магеллановы Облака, хорошо видные на небе Южного полушария как два больших пятна примерно такой же поверхностной яркости, как и Млечный Путь. Расстояние до Магеллановых Облаков "всего лишь" около 200 тыс. световых лет, что вполне сравнимо с общей протяженностью нашей Галактики. Другая "близкая" к нам галактика — это туманность в созвездии Андромеды. Она видна невооруженным глазом как слабое световое пятнышко. На самом деле это огромный звездный мир, по количеству звезд и полной массе раза в три превышающий нашу Галактику, которая, в свою очередь, является гигантом среди галактик. Многие из галактик удалены от нас на расстояния, которые свет проходит за миллиарды лет. Это означает, что этот свет был излучен такой удаленной галактикой еще задолго до архейского периода геологической истории Земли!
Мир галактик поражает своим разнообразием. Галактики резко отличаются размерами, числом входящих в них звезд, све-тимостям, внешним видом. По внешнему виду галактики условно разделены на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы. Первоначальной стадией являются галактики неправильной формы. Из них возникают спиральные галактики, имеющие ясно выраженную форму вращения. И, наконец, третьей стадией являются эллиптические галактики, имеющие сфероидальную форму.
Неправильные галактики состоят из значительных масс газопылевой материи и из "молодых" звезд, излучающих большое количество энергии, где отсутствуют ядра. Подобные звезды, существующие и в нашей Галактике, относятся к так называемому "населению I", в отличие от "старых" звезд, которые составляют "население II". Представителей звезд "населения II" в неправильных галактиках не обнаружено. Два больших звездных облака, которые получили название Большое и Малое Магеллановы Облака, относятся к типу неправильных галактик. Они являются
262

спутниками нашей Галактики. Неправильные галактики значительно меньше спиральных и встречаются редко.
Спиральные галактики состоят как из звезд "населения I", так и из звезд "населения II". Здесь имеются четко выраженные сферические подсистемы, составляющие ядро, и плоские подсистемы, образующие спиральные ветви Галактики. Наша Галактика принадлежит к числу спиральных. Ветви спиральных галактик, как и у нашей Галактики, состоят из горячих звезд, цефеид, сверхгигантов, рассеянных звездных скоплений и газовых туманностей. Галактики излучают различные электромагнитные волны. Такие излучения исходят от нейтрального водорода, а также от ионизированного горячего водорода в светлых туманностях. Нейтрального водорода в них содержится около 10% от массы галактики.
В эллиптических туманностях преобладают звезды "населения II", образующие сферические подсистемы. Спиральные ветви здесь уже отсутствуют, и соответственно очень редко встречаются звезды "населения I". Эллиптические галактики можно рассматривать как системы, которые израсходовали основную массу диффузной материи благодаря образованию из нее звезд и находятся на завершающей стадии эволюции. Они вращаются крайне медленно и потому слабо сплюснуты в отличие от быстро вращающихся спиральных галактик. По виду эллиптические галактики похожи на шаровые звездные скопления. Они не содержат ни звезд-сверхгигантов, ни диффузных туманностей.
Итак, развитие галактик, по-видимому, начинается с огромного, медленно вращающегося протооблака газа и пыли, которое по мере сжатия начинает вращаться с увеличивающейся скоростью. В процессе сжатия происходит образование звезд различных масс и светимостей. Постепенно в неправильной галактике возникают ядро и звездные спиральные ветви, имеющие центральную перемычку из темного диффузного вещества. В начале ядро Галактики относительно невелико по своей массе, но с развитием системы оно увеличивается, так что постепенно спиральная галактика переходит в эллиптическую. В эллипти-
263

ческой галактике темное диффузное вещество присутствует уже в относительно небольшом количестве, так как оно уже пошло на образование звезд.
Галактики, подобно звездам, наблюдаются группами. Например, нашу Галактику, Магеллановы Облака и еще около 20 небольших спутников нашей Галактики можно рассматривать как кратную систему. Согласно современным представлениям, для Вселенной характерна ячеистая (иногда говорят, сетчатая или пористая) структура.
Самые далекие из наблюдаемых объектов находятся от нас на расстоянии около 10 миллиардов световых лет. До ближайших звезд нашей Галактики — несколько световых лет. Промежуточные расстояния можно описать следующим образом. Диаметр нашей Галактики — почти сто тысяч световых лет. Эта величина в несколько десятков тысяч раз превышает расстояние до ближайших звезд, наша Галактика не принадлежит к числу маленьких. Размер среднего скопления галактик еще в сто раз больше, он может превышать десяток миллионов световых лет. Размеры наибольших различимых деталей в распределении галактик, типа нитей и пустот, еще в десятки раз больше. Но все равно размеры этих деталей в 50-100 раз меньше размеров всей наблюдаемой части Вселенной.
Есть данные о возможном наличии во Вселенной несветящегося вещества, так называемой скрытой массы. Ее средняя плотность может раз в десять превышать среднюю плотность светящегося вещества, сосредоточенного в звездах и галактиках. В какой форме реализована эта скрытая масса, пока неизвестно.
Наблюдательный факт грандиозного значения состоит в том, что система галактик не является статичной, а расширяется. Конечно, отдельные галактики и компактные скопления образуют стабильные гравитационно связанные системы и не расширяются. Закон расширения устанавливается наиболее четко для системы скоплений галактик. Обычно рассматривают ярчайшие члены скоплений, расположенные, как правило, в центрах скоплений. Из огромного числа наблюдений вытекает,
264

что для любой пары таких объектов скорость их удаления друг от друга пропорциональна расстоянию между ними.
Такой простой закон применим по крайней мере к галактикам, для которых входящая в это соотношение скорость меньше скорости света. Коэффициент пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием между ними называется параметром Хаббла. Обратная величина имеет размеренность времени, ее-то и называют возрастом Вселенной. Такое название обусловлено тем, что, разлетаясь с постоянной относительной скоростью, любая пара объектов успела бы за это время увеличить взаимное расстояние от нуля до наблюдаемого сейчас значения. По современным данным, возраст Вселенной равен 10-20 миллиардам лет.
Известны независимые оценки возраста отдельных астрономических систем: Солнечной системы, звезд, звездных скоплений, галактик. Эти оценки основаны на данных об относительном содержании различных химических элементов и на теории звездной эволюции. Возраст Солнечной системы оценивается в 5 миллиардов лет, возраст старейших шаровых звездных скоплений и, косвенно, галактик 11-13 миллиардов лет.
При расширении средняя плотность вещества падает, следовательно, в догалактическую эпоху оно было более плотным и горячим. Можно с уверенностью сказать, что 10-20 миллиардов лет назад Вселенная была совершенно не похожа на ту, которую мы сейчас наблюдаем. Этот вывод убедительно подтверждается существованием так называемого реликтового излучения, открытого в 1965 г. с помощью радиотелескопов. От излучения изолированных объектов оно отличается тем, что приходит не от отдельных источников, а со всех направлений, равномерно заполняя всю небесную сферу. Его температура около трех градусов по абсолютной шкале.
Еще одна группа наблюдательных сведений, входящая важной составной частью в наши представления о современной и ранней Вселенной, касается химического состава окружающего нас вещества. Самым распространенным элементом является водород. На его долю приходится около 75% всей массы вещества.
265

Почти все остальное — на долю гелия. Многочисленные легкие и тяжелые элементы, встречающиеся в природе, представлены лишь долями процента. Все вместе они едва ли дают 2% вклада в общую массу вещества. С этой точки зрения планеты, построенные из тяжелых элементов, и жизнь на них являются чрезвычайно большой редкостью.
Элементы от углерода до железа возникают в недрах звезд на спокойной стадии их эволюции как продукт термоядерных реакций. Более тяжелые элементы образуются во взрывных процессах типа вспышек сверхновых звезд. В результате взрывов массивных звезд, быстро заканчивающих свою эволюцию, разнообразные химические элементы попадают в межзвездный газ. Гелий и некоторые другие легкие элементы имеют дозвез-дное происхождение.
Исторически представление о нестационарности Вселенной было впервые введено нашим соотечественником А. А. Фридманом еще до экспериментального доказательства явления "разбегания" галактик. В своих работах А. А. Фридман исходил из простейших предположений об однородности и изотропности непрерывного распределения вещества. Он использовал уравнение релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна и доказал, что соответствующие решения обязательно зависят от времени. В зависимости от начальных условий оно может либо расширяться с замедлением, либо сжиматься. Окончательная судьба расширяющейся гравитирующей системы зависит от того, достаточно ли велика средняя плотность вещества, чтобы силы тяготения затормозили расширение и в дальнейшем перевели расширение в сжатие. Если средняя плотность вещества больше некоторого значения, называемого критическим, то расширение сменится сжатием, в противном случае оно будет продолжаться неограниченно.
Очевидно, что критическое значение плотности определяется темпом расширения и выражается через параметр Хаббла. По современным данным, средняя плотность всех видов материи (включая скрытую массу) в наблюдаемой Вселенной близка к критической.
266

В соответствии с фридмановскими решениями можно рассчитать ход изменения плотности и температуры как в будущее, так и в прошлое. Пользуясь этими расчетами, Г. Гамов предсказал, что современная Вселенная должна быть заполнена электромагнитным излучением с температурой около 6 градусов. Хотя действительное обнаружение реликтового 3-градусного излучения произошло случайно, в принципе его существование ожидалось.
Вопрос о строении Вселенной в очень больших масштабах дополняется вопросом о свойствах Вселенной на очень ранней стадии ее эволюции. Неопределенность в ответе на этот вопрос отчасти связана с тем, что неизвестны свойства материи при огромных плотностях, на много порядков превышающих ядерную, и с бесконечными значениями всех физических величин: плотности энергии, давления, напряженности гравитационного поля и т. д. Состояние, характеризуемое такими значениями, называют сингулярностью. Для его изучения классические понятия длины и времени не применимы. Это область квантовой космологии.

ВЫВОДЫ

1. Наиболее распространенными объектами окружающего нас материального мира являются звезды — небесные тела, подобные нашему Солнцу и находящиеся в состоянии плазмы. Некоторые из звезд имеют обращающиеся вокруг них планетные системы, подобные Солнечной системе. Земля является макротелом астрономического масштаба, одной из девяти планет обращающихся вокруг звезды — Солнца.
2. Солнце, звезды и звездные скопления, наблюдаемые на небе, образуют систему, которую мы называем нашей Галактикой. Галактика (греч. galaktikos— млечный, молочный) — наша звездная система, включающая в себя звезды Млечного Пути — 2 • 1011 звезд, в том числе Солнце со всеми планетами. В начале XX в. было доказано, что некоторые туманные пятна, видимые в телескоп в разных участках неба, находятся вне нашей Галактики и представляют собой другие галактики.

267

1. Галактики имеют тенденцию располагаться по границам гигантских ячеек. Ячеистая структура распределения галактик является наиболее крупной структурой Метагалактики — видимой части Вселенной. Система галактик и их скоплений называется Метагалактикой.
2. Вселенная — весь материальный мир, безграничный в пространстве, развивающийся во времени, окружающий нас и познаваемый нами. Всеобъемлющая Вселенная — это вся материя в целом, взятая во всем ее потенциально возможном пространственно-временном структурном многообразии как совокупное множество всех потенциально возможных материальных миров.
3. Космос (от греч. kosmos— строй, порядок, мир) — синоним астрономического определения Вселенной; часто выделяют так называемый ближний космос — межпланетную и околоземную среду, исследуемую при помощи космических метательных аппаратов, а также дальний космос — мир звезд и галактик.

Вопросы для контроля знаний

1. Какие закономерности обнаружены в строении, движении и свойствах Солнечной системы?
2. Каковы основные параметры, определяющие свойства звезд?
3. Как распределены галактики во Вселенной?
4. Чем отличаются понятия "Метагалактика" и "Вселенная"?
5. Как соотносятся между собой понятия "мир", "космос", "Вселенная"?
6. Как можно истолковать такое высказывание: "Вселенная, в которой мы живем, безгранична, но конечна"?
7. Можно ли считать Солнечную систему единственной планетной системой?
8. Какова структура Солнечной системы?
9. Назовите большие планеты Солнечной системы.

1. Какая из планет расположена наиболее близко к Солнцу?
2. Какие из планет земной группы имеют атмосферу?
3. В чем отличия атмосферы Земли от атмосферы других планет?

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука