Космос.
ГЛАВА II. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.
Солнечная система — это система космических небесных тел, связанных друг с другом силами тяготения. В неё входят центральное светило Солнце, в котором заключено около 99,87% всей массы Солнечной системы, обращающиеся вокруг него планеты, карликовые планеты и малые тела, а также все естественные спутники. Новейшие астрономические открытия привели к тому, что последняя классификация тел, входящих в Солнечную систему, была проведена совсем недавно — в 2006 г.
На сегодняшний день к планетам относят восемь крупных небесных тел, которые под действием собственной гравитации приняли форму шара: Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их масса достаточна для поддержания гидростатического равновесия, при котором давление недр уравновешивается силами гравитации, и настолько велика, что в окрестностях орбиты имеется пространство, практически свободное от других тел.
Все планеты расположены почти в одной плоскости и обращаются вокруг Солнца по круговым орбитам в одном направлении.
Карликовые планеты тоже обращаются вокруг Солнца. Они находятся в гидростатическом равновесии и имеют форму шара, однако их масса недостаточна для того, чтобы освободить окрестности орбиты от других тел. Например, отношение массы Плутона, второй по размеру карликовой планеты, к массе других тел в окрестностях его орбиты равно всего лишь 0,07. Ещё для одной карликовой планеты, Цереры, оно составляет 0,33, в то время как для Юпитера это отношение равно 318, а для Земли — 1,7 млн. В настоящее время официально признано пять карликовых планет, хотя предполагается, что их в Солнечной системе может быть гораздо больше: это Церера, Плутон, Хаумеа, Макемаке и Эрида — самая большая из карликовых планет, расположенная в наиболее удалённых областях Солнечной системы. До 2006 г. Плутон считался планетой, но открытие на рубеже XX и XXI вв. объектов, сравнимых по размерам с Плутоном, в частности Эриды, потребовало более чёткой формулировки понятия «планета».
Объекты небольших масс, обращающиеся вокруг Солнца и слишком маленькие для того, чтобы под действием сил собственной гравитации поддерживать сферическую форму, называют малыми телами Солнечной системы. К ним относят большинство астероидов, кометы, кентавры (ледяные кометоподобные объекты, движущиеся между орбитами Юпитера и Нептуна), метеороиды (тела размером от 0,1 мм до 10 м), а также межпланетная пыль, частицы солнечного ветра (потока плазмы от Солнца) и свободные атомы водорода.
Спутниками называют тела, обращающиеся вокруг планеты, карликовой планеты или астероида. Большинство спутников планет обращается вокруг них в ту же сторону, что и планеты вокруг Солнца. У планет на сегодняшний день известно 168 естественных спутников, а у карликовых планет их шесть (три у Плутона, два у Хаумеа и одна у Эриды).
Разновеликие соседи.
Солнце — центральный объект Солнечной системы, которую условно делят на две области — внутреннюю и внешнюю. Во внутренней области расположены ближайшие к Солнцу планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс, которые называют планетами земной группы. Они обладают высокой плотностью и образованы преимущественно тяжёлыми элементами, такими как кислород, кремний, железо, никель и др. Все планеты земной группы имеют железное ядро, мантию, состоящую из силикатов, и кору, образовавшуюся в результате выплавления из мантии лёгких элементов. У планет земной группы мало спутников (от 0 до 2), нет колец и есть атмосфера — газовая оболочка, которая удерживается гравитацией планеты и вращается вместе с ней как единое целое.
Планеты земной группы, слева направо: Меркурий, Венера, Земля, Марс.
Говоря о Солнечной системе, мы будем использовать понятия астрономической единицы (1 а. е. = 149 597 870,610 км) — среднего расстояния от Земли до Солнца и эклиптики — плоскости, в которой расположена орбита Земли.
Пояс астероидов.
Во внутренней области Солнечной системы, между 2,3 и 3,3 а. е. от Солнца, расположен Главный пояс астероидов — большая концентрация астероидов в сравнительно узком пространстве межпланетной среды между орбитами Марса и Юпитера. Скорее всего, пояс астероидов — это несформировавшаяся планета, образованию которой помешало гравитационное влияние Юпитера и (в меньшей степени) других планет-гигантов.
За Главным поясом астероидов начинается внешняя область Солнечной системы. Там царствуют планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, на которые приходится 99% всей массы вещества, обращающегося вокруг Солнца. Они заметно отличаются от планет земной группы по составу и физическим условиям. Эти планеты гораздо больше и массивнее, они менее плотные и состоят из лёгких элементов (преимущественно водорода и гелия), имеют мощные атмосферы, множество спутников (от 13 до 63) и системы колец из пыли и льда. Самое крупное из колец у Сатурна — его легко можно увидеть с Земли.
За орбитой Нептуна, на расстоянии порядка 35–50 а. е. от Солнца, расположен пояс Койпера (или Эджворта-Койпера) — большое скопление малых тел. Он превышает пояс астероидов в 20 раз по протяжённости и в 20–200 раз по массе, его объекты движутся приблизительно в плоскости орбит планет. Возможно, это остаток протопланетной туманности, из которой образовалась Солнечная система.
Космический аппарат «Dawn» на орбите астероида Веста.
Планеты Солнечной системы и их положение относительно Солнца.
За поясом Койпера, частично перекрываясь с ним, располагается рассеянный диск — удалённый регион Солнечной системы, слабо заселённый малыми телами. Объекты рассеянного диска имеют сильно вытянутые, наклонённые к эклиптике и даже перпендикулярные ей орбиты, которые могут простираться до 150 а. е. от Солнца. Предположительно в рассеянном диске формируются короткопериодические кометы.
Многие косвенные факторы указывают на то, что за рассеянным диском находится сферическая область Солнечной системы, из которой к нам прилетают долгопериодические кометы. Инструментально существование этой области, которую называют облаком Оорта, не подтверждено, поэтому оценки её размеров очень приблизительны: от 2000–5000 а. е. до 50 000 или даже 100 000 а. е. Считается, что облако Оорта является остатком исходного протопланетного диска. На расстоянии около 120 а. е. от Солнца (в четыре раза дальше Плутона) расположена гелиопауза — область, в которой солнечный ветер смешивается с межзвёздным веществом; она считается началом межзвёздной среды. Но гравитационное влияние Солнца простирается гораздо дальше. Оно преобладает над гравитацией соседних звёзд на расстояниях порядка 125 000 а. е.
Большая часть Солнечной системы до сих пор не исследована. Предполагается, что до 2020 г. космические аппараты «Вояджер» пересекут гелиопаузу и мы сможем расширить свои знания о внешних областях Солнечной системы и свои представления о межзвёздной среде.
Судя по оценкам, в поясе Койпера около 450 000 объектов диаметром более 50 км, в поясе астероидов — порядка 400 000 небесных тел, а в облаке Оорта содержатся несколько триллионов ядер комет, размеры которых превышают 1,3 км.
Меркурий.
Снимок участка поверхности Меркурия, полученный АМС «Мессенджер» 14 января 2008 г.
Ближайшая к Солнцу планета земной группы, Меркурий, — самая маленькая из восьми больших планет Солнечной системы и самая быстрая планета в Солнечной системе. Он движется по орбите вокруг Солнца со средней скоростью около 48 км/с. Из-за того, что орбита Меркурия сильно вытянута, разность расстояний в самой близкой и далёкой от Солнца точках равна 23,8 млн. км. Из-за близости к Солнцу Меркурий получает на квадратный метр поверхности в среднем в 6,7 раз больше солнечного света, чем Земля. Естественных спутников у планеты нет.
За один оборот вокруг Солнца Меркурий успевает совершить 1,5 оборота вокруг своей оси, и поэтому на поверхности планеты существует два меридиана, которые попеременно обращены к Солнцу во время прохождения перигелия — ближайшей к светилу точки орбиты планеты. На этих «горячих долготах» даже по меркам Меркурия весьма жарко: температура в экваториальных областях достигает 427 °С.
Скорость вращения планеты вокруг своей оси приблизительно постоянна, а скорость орбитального движения заметно меняется из-за сильной вытянутости орбиты. В результате при прохождении планетой перигелия в течение примерно восьми суток скорость орбитального движения превышает скорость вращения планеты вокруг своей оси и Солнце в меркурианском небе сначала останавливается, а потом начинает двигаться в обратном направлении — с запада на восток.Современные радарные исследования приполярных областей планеты показали наличие вещества, сильно отражающего радиоволны. Это может быть водяной лёд, ведь молекулы воды попадают в атмосферу Меркурия при ударах комет. Солнце поочерёдно освещает оба полушария планеты, но в глубокие долины вблизи полюсов его лучи не проникают никогда, и в этих тёмных холодных зонах могут существовать ледники толщиной до двух метров.
В 2008 г. американские астрономы сообщили об открытии у Меркурия «хвоста» длиной более 2,5 млн. км. Он состоит из атомов натрия, кальция и магния, выбитых с поверхности планеты в результате столкновения с тяжёлыми частицами солнечного ветра и метеороидами.
Меркурий.
Внутреннее строение Меркурия.
Одной из особенностей Меркурия является очень разреженная атмосфера, состоящая из атомов гелия, водорода, аргона, неона и др. Она образовалась из захваченных планетой частиц солнечного ветра, а также из частиц, которые были выбиты солнечным ветром с её поверхности. В среднем каждый атом гелия находится в атмосфере Меркурия порядка 200 дней, а затем покидает планету. Отсутствие плотной атмосферы в сочетании с близостью к Солнцу и достаточно медленным вращением приводит к самым резким в Солнечной системе перепадам температур. Средняя температура дневной поверхности Меркурия столь высока (350 °С), что на ней могли бы образоваться свинцовые реки (температура плавления свинца 327 °С), в то время как средняя температура ночной поверхности планеты опускается до значений -1 70 °С.
Форма Меркурия близка к сферической. Эта необычная «железная» планета с гигантским железоникелевым ядром, предположительно жидким, обладает магнитным полем, происхождение которого пока не имеет однозначного объяснения. Его форма симметрична и похожа на форму магнитного поля Земли, но напряжённость в 300 раз меньше земного.
Большую часть времени Меркурий расположен к Земле ближе, чем Венера и Марс. В первое десятилетие XXI в. наземные и космические наблюдения планеты позволили учёным сделать много интересных открытий. Но несмотря на это, Меркурий на сегодняшний день всё ещё остаётся наименее изученной планетой земной группы.
Венера.
Только две из восьми больших планет Солнечной системы носят женские имена — это Земля и Венера. Отличительным признаком Венеры на звёздном небе является её ровный белый цвет, причём из всех небесных светил ярче Венеры сияют только Луна и Солнце. Своей высокой яркостью планета обязана окружающим её плотным облакам, которые прекрасно отражают солнечный свет.
Венера, как и Меркурий, относится к внутренним планетам, так как её орбита расположена к Солнцу ближе, чем орбита Земли, естественных спутников у неё нет. Она движется практически по круговой орбите в ту же сторону, что и другие планеты, причём орбита у неё самая «круглая» из всех планет Солнечной системы.
Вращается Венера с востока на запад, т. е. в направлении, противоположном направлению вращения Земли и большинства других планет, поэтому Солнце на Венере восходит на западе.
Располагаясь на 41,4 млн. км ближе к светилу, чем Земля, Венера получает тепла и света в два раза больше нашей планеты. Средняя температура венерианской поверхности 460 °С. Это существенно превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося вдвое ближе к Солнцу! Причиной столь высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной атмосферой.
Поверхность Венеры скрывается под мощным слоем облаков.
Кратеры на поверхности Венеры.
Из всех планет земной группы Венера обладает самой массивной газовой оболочкой: её атмосфера почти в 100 раз массивнее земной. Венерианский воздух на 95% состоит из углекислого газа (СО2) и на 3,5% — из азота, а небо на Венере имеет яркий жёлто-зелёный оттенок. Такое большое количество СО2 объясняется тем, что (в отличие от нашей планеты) на Венере нет растений или какой-нибудь другой органической жизни, которая могла бы его перерабатывать. Древние извержения вулканов на Венере привели к тому, что в её атмосфере содержится большое количество серы, и венерианские облака в основном состоят из капелек концентрированной серной кислоты (H2SO4).Из-за того что поверхность планеты скрывается под толстым слоем очень густых облаков серной кислоты, которые хорошо отражают видимый свет, в видимом диапазоне её нельзя рассмотреть даже с орбиты искусственного спутника. Однако эти облака пропускают радиоволны, поэтому исследование поверхности Венеры стало возможным с развитием радиолокационных методов.
Глубина облачного покрова в некоторых местах достигает 50 км, и поскольку венерианская атмосфера намного мощнее нашей, то азота в ней, например, по массе в 5 раз больше, чем в атмосфере Земли.
У самой поверхности атмосфера Венеры практически неподвижна, но на высотах порядка 60 км дуют постоянные ураганные ветры, скорость которых достигает 100 м/с и быстро уменьшается с увеличением высоты. Вращение облачного слоя происходит в туже сторону, что и вращение планеты (с востока на запад), и ветер огибает её за 4–5 земных суток.
Давление у поверхности планеты превышает 90 атм (как в толще моря на глубине около 1 км). Сочетание сверхвысоких давления и температуры приводит к тому, что основные компоненты венерианской атмосферы — углекислый газ и азот — пребывают в таком плотном состоянии, что почти не отличаются от жидкости.
Земля.
Земля как одна из планет Солнечной системы на первый взгляд ничем не примечательна. Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других к Солнцу, но и не обитает на периферии планетной системы. И всё же Земля обладает одной уникальной особенностью — на ней есть жизнь. Однако при взгляде на Землю из космоса это незаметно. Хорошо видны облака, плавающие в атмосфере. Сквозь просветы в них различимы материки. Большая же часть Земли покрыта океанами.
Появление живого вещества на нашей планете — следствие её эволюции. В свою очередь биосфера оказала значительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будь жизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным.
Непросто «заглянуть» в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10-километровый рубеж, а под водой удаётся, пройдя осадочный чехол, проникнуть в базальтовый фундамент не более чем на 1,5 км. Однако нашёлся другой способ. Как в медицине ультразвуковое исследование (УЗИ) позволяет увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород, через которые они проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этих границах.
Земля — единственная планета Солнечной системы, на которой существует жизнь.
Внутреннее строение Земли.
По записям колебаний земной поверхности при землетрясениях — сейсмограммам — было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра. Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, на которой скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резким повышением плотности вещества. Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. Мантия, расположенная под земной корой, простирается до глубины примерно 2900 км и имеет сложное строение.Ещё в XIX столетии стало ясно, что у Земли должно быть плотное ядро, а в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования. Если плотность наружных пород земной коры составляет около 2,8 г/м3 для гранитов и примерно 3 г/м3 для базальтов, то средняя плотность нашей планеты — 5,51 г/м3.
В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7,85 г/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. Ядро состоит из двух частей — внешней жидкой и внутренней твёрдой. Переходная зона между жидким и твёрдым ядрами довольно тонкая — около 5 км. Чем глубже мы будем проникать в недра Земли, тем выше будут давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура — 6000 °С.
О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты.
* * *
Луна Луна — самый яркий объект на небе после Солнца, а ночью ей и вовсе нет равных среди светил. Это единственный естественный спутник Земли, а также первое и единственное в настоящий момент внеземное небесное тело, на котором побывал человек. Пара Земля — Луна в Солнечной системе смотрится довольно странно. Луна — пятый по величине естественный спутник в Солнечной системе, её масса всего в 81,3 раза меньше земной. Это необычайно высокое соотношение масс для спутника и планеты в Солнечной системе, выше только у пары Плутон-Харон, но Плутон — карликовая планета. Путь Луны вокруг Земли — не эллипс, а медленно раскручивающаяся спираль, о чем говорил ещё в начале XIX в. один из авторов «небулярной гипотезы» происхождения Солнечной системы великий французский ученый Пьер Симон Лаплас. Луна удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год, и в далеком прошлом она была гораздо ближе к нам, чем сейчас. Объясняется этот эффект взаимным притяжением Луны и Земли, которое тормозит вращение Земли, вызывает приливы и отливы и синхронизирует вращение Луны вокруг своей оси с её обращением вокруг Земли, так что Луна всегда обращена к Земле одним своим полушарием. Лунная поверхность состоит из относительно ровных тёмных участков — «морей» и более светлых гористых участков — «материков» (или «земель»). Моря представляют собой гигантскиеударные кратеры, заполненные застывшей базальтовой лавой. Французские астрономы изучили сравнительный возраст и распределение 48 лунных кратеров, образованных ударами астероидов. Они пришли к заключению, что миллиарды лет назад Луна была повёрнута к Земле стороной, которая сейчас является «обратной», и в то время она была лучше защищена от ударов метеоритов. А в нынешнее положение Луну развернул произошедший 3,9 млрд. лет назад удар крупного астероида, после которого на поверхности спутника осталось самое глубокое лунное море — Море Смита. Почти вся поверхность Луны покрыта толстым слоем спёкшегося вещества — реголита, который представляет собой мелко раздробленные лунные породы, образующие как бы слежавшуюся губчатую массу. Лунные породы дробились в основном за счёт резких перепадов температуры при смене дня и ночи, а также в результате множества ударов небольших метеоритов. Средний диаметр зёрен реголита менее 1 мм, но встречается и значительное количество обломков более крупного размера. Лунный грунт поглощает больше 90% солнечного света и сильно рассеивает всё, что не удалось поглотить. Рассеянный реголитом солнечный свет и образует характерное для Луны серебристое сияние. Из-за малой массы Луна не может удержать своим притяжением мощную атмосферу. Днём концентрация свободных частиц у поверхности несколько возрастает, так как лунный грунт при нагревании выделяет газ, но всё равно и дневная, и ночная концентрации соответствуют вакууму. Как следствие лунная поверхность не защищена от непосредственного воздействия солнечного электромагнитного излучения, ударов частиц солнечного ветра и метеоритов, а также от резких перепадов температуры: днём она в среднем разогревается до 107 ºС, а ночью охлаждается до -153 ºС.
Видимая поверхность Луны.
Марс.
Марс выглядит на ночном небе как яркооранжевая звезда. Цвет планеты определяют красные оксиды железа, присутствующие в поверхностных породах.
С точки зрения топографии Марс на сегодняшний день — одно из наиболее изученных тел Солнечной системы. Основная черта марсианской «географии» — так называемая дихотомия полушарий. Поверхность планеты состоит как бы из двух контрастных частей: южное полушарие покрывают древние высокогорья, а в северных широтах сосредоточены более молодые равнины. Разница высот между горными и равнинными областями достигает 6 км. Почему полушария Марса так сильно отличаются друг от друга, до сих пор неясно. Возможно, такое деление связано с давней катастрофой — падением на Марс крупного астероида.
Заполненный льдом безымянный кратер Марса.
Марс.
Внутреннее строение планеты.
У Марса атмосфера существенно более разреженна, чем воздушная оболочка Земли. По составу она напоминает атмосферу Венеры и на 95% состоит из углекислого газа. Около 4% приходится на долю азота и аргона; кислорода и водяного пара в марсианской атмосфере меньше 1%. Водяной пар и углекислый газ в марсианской атмосфере часто собираются в облака. Наблюдения с космических аппаратов показали, что на Марсе встречается облачность самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые, подветренные облака (вблизи крупных гор и под склонами больших кратеров, в местах, защищенных от ветра). Над низинами (каньонами, долинами) и на дне кратеров в холодное время суток часто стоят туманы. Зимой 1979 г. в районе посадки «Викинга-2» выпал тонкий слой снега, который пролежал несколько месяцев.
Средняя температура на Марсе значительно ниже, чем на Земле, — около -40 °С. При наиболее благоприятных условиях — летним днём в районе экватора — воздух прогревается до 0 °С — приемлемая температура для жителей Земли. Но зимней ночью мороз может достигать -125 °С. Такие резкие перепады температуры вызваны тем, что разреженная атмосфера Марса не способна долго удерживать тепло.
Над поверхностью планеты часто дуют сильные ветры, скорость которых доходит до 100 м/с. Малая сила тяжести позволяет даже разреженным потокам воздуха поднимать огромные облака пыли. Иногда довольно обширные области на Марсе бывают охвачены грандиозными пылевыми бурями. Чаще всего они возникают вблизи полярных шапок. Глобальная пылевая буря на Марсе помешала фотографированию поверхности с борта зонда «Маринер-9». Она бушевала с сентября 1971 по январь 1972 г., подняв в атмосферу на высоту более 10 км около миллиарда тонн пыли.
У Марса два спутника — Фобос и Деймос, которые в 1877 г. обнаружил американский астроном Асаф Холл. Оба спутника испытывают сильное приливное воздействие со стороны Марса, поэтому всегда повёрнуты к нему одной стороной. Фобос и Деймос движутся по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости экватора планеты. Некоторые исследователи считают, что спутники Марса попали к нему «не по своей воле», а были захвачены из пояса астероидов.Фобос обращается вокруг Марса на расстоянии 9400 км от центра планеты, причём скорость его обращения столь велика, что один оборот он совершает за треть марсианских суток, обгоняя суточное вращение планеты. Из-за этого Фобос восходит на западе и опускается за горизонт на востоке.
Удаление этого спутника от центра планеты составляет более 23 тыс. км, и на один оборот у него уходит почти на сутки больше, чем у Фобоса. Сильное приливное трение, возникающее вследствие близкого расположения Фобоса к Марсу, затормаживает его, и спутник медленно приближается к поверхности планеты, чтобы в конце концов упасть на неё, если к тому времени гравитационное поле Марса не разорвёт его на куски.
Юпитер.
Пятая от Солнца планета — Юпитер по массе и по размеру заметно превосходит всех своих «сестёр» по Солнечной системе. В отличие от Венеры, которая из-за близости к Солнцу появляется только на рассвете и на закате, сияющий ровным белым светом Юпитер бывает виден всю ночь. Юпитер и три другие огромные холодные планеты — Сатурн, Уран и Нептун — называют планетами-гигантами или газовыми гигантами, потому что они состоят в основном из водорода и гелия. Ось вращения гиганта почти перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому на Юпитере нет смены времён года.
В отличие от твёрдых планет земной группы, газовые гиганты вращаются неоднородно. У Юпитера скорость вращения на экваторе равна 45 300 км/ч и уменьшается при продвижении к полюсам. Из-за быстрого вращения наблюдается заметное сжатие планеты: полярный радиус меньше экваториального на 6,5%, что составляет 4,6 тыс. км.
Интересно, что в Солнечной системе только у Юпитера центр масс системы Солнце — планета находится вне Солнца и удалён от последнего приблизительно на 7% солнечного радиуса.
Масса Юпитера в 1000 раз меньше солнечной, но будь он раз в 60–80 массивнее, то вполне мог бы стать не планетой, а звездой. Однако Юпитер и так ведёт себя не совсем «нормально» для планеты: известно, что он обладает собственным источником тепла и выделяет в 2–3 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Точный механизм этого явления пока неизвестен, это может быть следствием как постепенного сжатия планеты или опускания гелия и более тяжёлых элементов, так и процессов радиоактивного распада в недрах гиганта.
Юпитер.
Внутреннее строение планеты.
Юпитер обладает самой мощной атмосферой в Солнечной системе. Состав облачного покрова планеты-гиганта подобен составу всей планеты в целом, и он гораздо больше похож на солнечный, чем на нашу земную атмосферу. 75% по массе приходится на водород, 24% — на гелий, а 1% — на примеси: метан (CH4), водяной пар и аммиак (NH3). Помимо этого, в юпитерианском воздухе имеются также следы органических соединений, этана (C2H4), сероводорода (H2S), неона, кислорода, фосфина (PH3) и серы. Не очень-то «приятный» состав, если вспомнить, что аммиак многим знаком по резкому запаху нашатырного спирта, сероводород — по запаху тухлых яиц, а фосфин пахнет тухлой рыбой…
Большое Красное Пятно на Юпитере.
На любой фотографии Юпитера видно, что его поверхность покрыта чередующимися тёмными и светлыми полосами правильной формы, которые со временем меняют своё расположение. Это длинные ряды туч и облаков. Полосы облачной структуры появляются из-за того, что вдоль параллелей на планете дуют ураганные ветры, скорость которых может достигать 500 км/ч, причём в смежных полосах потоки ветра направлены в противоположные стороны.
Из-за огромного удаления от «источника подогрева» — Солнца температура поверхностного слоя юпитерианских облаков опускается ниже -140 °С.
Исследования атмосферы Юпитера показали, что все процессы, происходящие в ней, подобны тем, которые мы наблюдаем в земной атмосфере, только гораздо более масштабные. «Нрав» у гиганта суровый: в его атмосфере всегда идут грозы и бушуют сильные штормы, а молнии, сверкающие там, в тысячи раз мощнее земных.
Спутники и кольца Юпитера.
В 1979 г. «Вояджер» обнаружил у Юпитера систему колец радиусом 129 000 км и толщиной порядка 30 км. В отличие от колец Сатурна у Юпитера они тёмные и слабо различимы, не содержат льда и состоят в основном из пыли и мелких каменных частиц, которые плохо отражают солнечные лучи. Всего колец три: два основных и одно очень тонкое внутреннее, характерного оранжевого цвета. Все они очень разреженные и расположены в плоскости экватора на высоте порядка 55 000 км над атмосферой, поэтому с Земли их можно наблюдать только в инфракрасном диапазоне. Изучение колец Юпитера показало, что источником их пополнения являются небольшие спутники планеты-гиганта.
Спутник Юпитера Ио.
Самые крупные спутники Юпитера.
Ударный кратер Хар на Каллисто.
Естественных спутников у Юпитера к 2010 г. было известно 63, больше, чем у любой другой планеты Солнечной системы. Наземными методами к концу 1970-х гг. было открыто 13 юпитерианских лун, в 1979 г. космический аппарат «Вояджер-1» обнаружил ещё 3, а начиная с 1999 г. при помощи наземных телескопов нового поколения были открыты остальные 47 спутников, причём большинство из них — это небольшие скалистые тела неправильной формы диаметром 2–4 км.
Некоторые из малых спутников Юпитера движутся почти по одинаковым орбитам, так что они вполне могут быть остатками более крупных лун, разрушенных тяготением планеты-гиганта.
Граница орбит спутников определяется областью гравитационного притяжения планеты и удалена от неё на расстояние 52 млн. км. Внешние, наиболее удалённые от Юпитера спутники нельзя увидеть с поверхности планеты невооружённым глазом, а с самого далёкого из них газовый гигант выглядит меньше, чем Луна на нашем небе. Далёкие от планеты спутники обращаются вокруг неё в разных направлениях и вполне могут быть астероидами, захваченными гравитационным полем Юпитера.
Четыре самых крупных спутника Юпитера — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — были открыты Галилео Галилеем в 1610 г., поэтому впоследствии их стали называть галилеевыми. Все они движутся почти по круговым орбитам в плоскости экватора планеты. Силы приливного взаимодействия с планетой оказывают на них такое же влияние, как и на Луну с Землёй: вращение Юпитера постепенно замедляется, а спутники медленно удаляются от него, синхронизируя своё вращение с гигантом и постоянно обращаясь к нему одной и той же стороной.Юпитер оставил свой след не только в мифах и религиях разных народов, но и в истории науки. Открытие галилеевых спутников — одно из первых, совершённых с помощью телескопа. Кроме того, Юпитер со спутниками так сильно напоминал Солнечную систему, что это сыграло определённую роль в формировании гелиоцентрической картины мира.
Каждый из галилеевых спутников по-своему примечателен. На Ио обнаружено большое количество вулканов, действующих и потухших. Выбросы диоксида серы при извержении достигают высоты 300 км, при этом основная часть газа замерзает на поверхности спутника, но некоторое его количество улетает в космос и образует кольцо, опоясывающее Юпитер. Кроме того, Ио обладает атмосферой, которая плотнее атмосферы Меркурия, хотя и в 10 млн. раз разреженнее земной. Европа покрыта водяным льдом, и вполне возможно, что под коркой толщиной 1 00 км существует тёплый океан, солёность которого близка к солёности земных океанов. Некоторые учёные даже надеются когда-нибудь обнаружить в подлёдном океане Европы примитивные формы жизни. Ганимед — самый большой спутник Юпитера и вообще в Солнечной системе. Его радиус равен 2634 км, так что по размеру он превосходит Луну и даже Меркурий. А Каллисто с радиусом 2408 км тоже близка по размеру к Меркурию и является третьим по величине спутником в Солнечной системе после Ганимеда и спутника Сатурна Титана.
* * *
Гигантский вихрь В 1665 г. Джованни Кассини обнаружил в южном полушарии Юпитера Большое Красное Пятно. До полётов американских космических аппаратов «Вояджер» некоторые полагали, что пятно — это некое твёрдое образование, но теперь мы знаем, что это область высокого давления в атмосфере, гигантский вихрь, размеры которого существенно больше Земли. Большое Красное Пятно — самый крупный ураган в Солнечной системе. Оно расположено на 8 км выше верхнего слоя облаков и вращается против часовой стрелки, совершая один оборот за шесть земных суток, а скорость ветра внутри него порядка 500 км/ч. Размеры Пятна постоянно меняются, в длину оно занимает 24–40 тыс. км, а в ширину — 12–14 тыс. км, но в целом пятно уменьшается: в 1880 г. Большое Красное Пятно было в два раза больше и заметно ярче, чем сейчас.Сатурн.
Шестая от Солнца планета, Сатурн, не относится к наиболее ярким объектам звёздного неба. Однако его медленно перемещающийся по ночному небосклону желтоватый немерцающий диск хорошо виден невооружённым глазом, поэтому люди наблюдали Сатурн с давних времён и считали его самой далёкой планетой.
Сатурн состоит в основном из газов и не имеет твёрдой поверхности, он относится к газовым гигантам и по размеру занимает второе место в Солнечной системе после Юпитера. Как и большинство планет, Сатурн вращается с запада на восток, причём скорости вращения на разных широтах различны: в приэкваториальных областях один оборот вокруг оси занимает 10 ч 34 мин 13 с, а в приполярных — приблизительно на 26 мин больше.
Сатурн.
Внутреннее строение планеты.
Сатурн расположен почти в 10 раз дальше от Солнца, чем Земля, и поэтому получает в 90 раз меньше солнечного тепла, чем наша планета. Орбита гиганта близка к круговой, но из-за её огромных размеров разность максимального и минимального расстояний от планеты до Солнца составляет порядка 160 млн. км.
Масса Сатурна в 95,2 раза превышает массу Земли. Казалось бы, это очень большая величина. Но так как объём планеты больше объёма Земли в 800 раз, то получается, что средняя плотность Сатурна составляет всего 0,69 г/ см3! Этот газовый гигант — единственная планета Солнечной системы, чья средняя плотность меньше плотности воды (которая равна 1 г/см3 при 4 °С). А это значит, что, найдись во Вселенной гигантская ванна с водой или подходящего размера океан, Сатурн плавал бы в нём и не тонул!Верхние слои непрозрачной, очень плотной атмосферы Сатурна приблизительно на 93% по объёму состоят из водорода и на 7% — из гелия. На верхней границе облачного покрова планеты, где давление равно 0,1 атм, температура составляет около -190 °С. Хотя по земным меркам это страшный холод, имея такую температуру, Сатурн излучает в 2,5 раза больше тепла, чем принимает от Солнца. Это одна из особенностей Сатурна, свидетельствующая о том, что планета сама выделяет тепло.
На северном полюсе Сатурна хорошо видна устойчивая облачная структура в виде правильного шестиугольника — гексагена.
На Сатурне дуют ураганные ветры, скорость которых вблизи экватора достигает 1800 км/ч, а это в три раза больше, чем на Юпитере! В газовом покрове Сатурна наблюдается гораздо меньше, чем на Юпитере, мелких деталей — проявлений активности атмосферы, волн и узелков, но зато облачных полос на Сатурне больше и они заметны до очень высоких широт (78°).
Кроме того, в атмосфере гиганта периодически наблюдаются мощные штормы, ураганы и пятна разных цветов (от жёлтого до коричневого). У него есть свои громадные вихри, аналоги Большого Красного Пятна на Юпитере — Большой Белый Овал, Большое Коричневое Пятно и другие, меньшего размера.
Грозы на Сатурне сравнимы по мощности с земными, но случаются гораздо реже и длятся по нескольку месяцев, а гроза, которая бушевала на гиганте с января по октябрь 2009 г., оказалась самой длительной из тех, которые когда-либо наблюдались в Солнечной системе.
На Сатурне обнаружены полярные сияния — свечение верхних слоев атмосферы под действием заряженных частиц, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля. В отличие от сияний на Земле и Юпитере они бывают не только в виде кольца, но могут покрывать и весь полюс, появляясь на широтах выше 65°, что не характерно для нашей планеты.Изучая в начале 1980-х гг. снимки, полученные американскими космическими аппаратами «Вояджер-1» и «Вояджер-2», учёные заметили на северном полюсе Сатурна странное атмосферное образование, напоминающее правильный шестиугольник (гексаген). Его природа до конца не ясна, скорее всего, это необычный облачный вихрь, уходящий в глубь атмосферы планеты на расстояние порядка 100 км. Известно, что эта структура вращается и так велика, что внутри неё поместится четыре Земли. Над облачным гексагеном наблюдается кольцевое полярное сияние.
Спутники и кольца Сатурна.
К весне 2010 г. у Сатурна было известно 62 естественных спутника, у 53 из которых есть постоянные номера и названия, а у остальных — временные обозначения. Многие спутники хорошо отражают солнечный свет, имеют небольшие размеры и состоят из горных пород и льда (их плотность не превышает 1,4 г/см3). Большинство крупных спутников, за исключением Гипериона и Фебы, всегда повёрнуты к планете одной стороной, как Луна к Земле.
23 спутника Сатурна обращаются в ту же сторону, что и планета, а также движутся практически по круговым орбитам, близко расположенным к гиганту и лежащим вблизи его экваториальной плоскости. Всё это говорит о том, что они формировались одновременно с Сатурном. Остальные спутники находятся далеко от гиганта, движутся по хаотическим орбитам и, следовательно, являются астероидами и ядрами комет, которые сравнительно недавно были захвачены планетой.
Кольца Сатурна состоят из тысяч отдельных узких колечек.
Кольца из снега Кольца Сатурна состоят из множества частичек льда, обломков камней, покрытых ледяной коркой, и пылинок, которые обращаются вокруг планеты. Кольца располагаются в экваториальной плоскости планеты, которая не совпадает с плоскостью земной орбиты, поэтому их вид меняется от широкой полосы до еле различимой черты. Размер частиц колец меняется от микрометров до сантиметров, лишь некоторые из них достигают в поперечнике десятков метров. Расстояние между обломочками колеблется от сантиметра до нескольких метров, а скорость их движения в разных частях системы колец различна: с увеличением расстояния от планеты она уменьшается. Частицы, образующие кольца, гораздо более хрупкие, чем рыхлый снег, они всё время сталкиваются, разрушаются и слипаются вновь. Сами кольца очень тонкие: при диаметре около 250 000 км их средняя толщина заведомо меньше километра. Система колец Сатурна — это тысяча отдельных узких колечек с тёмными промежутками между ними, в которых практически нет вещества. За появление «щелей» в кольцах ответственна гравитация спутников гиганта, под действием которой часть обломков в кольце меняет траектории и покидает свои орбиты, перемещаясь на соседние. Наиболее широкий промежуток шириной в 3500 км называется делением Кассини — в честь впервые увидевшего его астронома. Для поддержания своего существования кольца постоянно должны пополняться материалом извне — например, обломками распадающихся мелких спутников. В начале XXI в. аппарат «Кассини» обнаружил у двух спутников Сатурна, Анфы и Мефоны, незамкнутые кольца. По-видимому, эти арки состоят из частичек, которые были выбиты из спутников планеты при ударах микрометеоритов. Так что не только сам гигант, но и его луны имеют кольца!
Титан, крупнейший спутник Сатурна.
Самый большой спутник — Титан был открыт в 1655 г. выдающимся голландским учёным Христианом Гюйгенсом. По диаметру (51 52 км) он превосходит Меркурий и единственный в Солнечной системе обладает очень плотной атмосферой, которая приблизительно на 98% состоит из азота. Атмосфера Титана в 10 раз превышает земную по массе и создаёт давление у поверхности спутника в 1,5 раза больше, чем атмосферное давление на Земле. Температура у поверхности Титана около -175 °С. Спутник состоит из льда и скалистых горных пород, его средняя плотность равна 1,9 г/см3. В 2006–2007 гг. в северном полушарии Титана впервые в истории обнаружили внеземные «водоёмы» размером от одного до сотен километров; правда, состоят они не из воды, а из жидких углеводородов — метана или этана.
Известно, что на Титане выпадают осадки. Причиной тому — метановые облака, которые парят на высоте около 25 км и покрывают 1% поверхности спутника. По сравнению с Землёй это очень мало, ведь наша облачность покрывает 50% поверхности.
Уран.
Уран — седьмая от Солнца планета Солнечной системы. Он расположен так далеко от Земли, что даже в ясные ночи едва различим невооружённым глазом, так что Урану было суждено стать первой планетой, открытой в XVIII в. с помощью телескопа. Первооткрывателем Урана считается английский музыкант и астроном немецкого происхождения Уильям Гершель. Самой примечательной особенностью Урана является нетипичный для планет Солнечной системы наклон оси его вращения к плоскости орбиты: около 98°. Из-за этого на планете наблюдаются очень сильные сезонные изменения погоды. Каждый полюс гиганта по 42 года находится в темноте и по 42 года — на солнечной стороне, а на экваторе бывает по две зимы и два лета, продолжающиеся по 20 лет.
Из-за большой удалённости от Солнца температуры на зимней и летней стороне планеты почти одинаковы, около верхушки облаков они достигают значений -216 °С, а разброс величин составляет всего лишь 4°С. Хотя полюса планеты за год получают от Солнца больше энергии, чем области на экваторе, Уран оказывается теплее в экваториальных областях, а не в полярных. Почему так происходит, пока неясно.
Уран.
Внутреннее строение планеты.
Атмосфера Урана состоит в основном из водорода (83% по массе), гелия (15%) и метана (СН4, около 2%), своим зеленовато-голубым цветом атмосферы гигант обязан тому, что красные лучи поглощаются метаном.
При движении по орбите Уран как бы катится, переворачиваясь с боку на бок, что совсем не похоже на поведение других планет Солнечной системы. При каких же обстоятельствах планета «завалилась» набок? Многие учёные склоняются к тому, что это произошло на раннем этапе формирования планеты в результате её столкновения с небесным телом, сравнимым по размеру с Землёй. Но есть и другая гипотеза, согласно которой ось вращения планеты за миллионы лет раскачал крупный спутник, впоследствии «разорвавший» гравитационные узы, связывавшие его с Ураном, и потерянный гигантом.
Магнитная ось планеты наклонена к оси вращения под углом 59° и смещена от центра Урана к южному полюсу примерно на 1/3 радиуса. Столь необычное расположение оси приводит к тому, что магнитные полюсы планеты очень сильно удалены от географических полюсов, а конфигурация поля, которое в 48 раз сильнее земного, достаточно сложная.
«Свита» Урана гораздо менее массивная, чем у других газовых гигантов: объединённая масса пяти самых крупных спутников планеты вполовину меньше массы Тритона, спутника Нептуна. Все 27 естественных спутников вращаются в плоскости экватора планеты, практически перпендикулярно плоскости её орбиты. Они состоят наполовину изо льда с включениями аммиака и углекислого газа, а наполовину — из горных пород. Две самые большие луны, Титаник и Оберон, диаметрами 1578 км и 1523 км соответственно, открыл Гершель в 1 787 г.
Обнаруженные в 1977 г. кольца Урана очень тёмные, их вещество подобно застывшей лаве и углю. Они образованы из частиц диаметром от нескольких миллиметров до нескольких метров. На май 2010 г. известно 13 колец, самое яркое из которых имеет переменную толщину.
Наблюдения с космических зондов показывают, что кольца Урана постоянно пополняются пылью, которую мощные метеориты выбивают с поверхности спутников.
Нептун.
Нептун — восьмая по счёту и единственная планета в Солнечной системе, которую открыли благодаря математическим вычислениям. Из-за слабого блеска её невозможно разглядеть без помощи оптических приборов, поэтому на мысль о существовании далёкой планеты учёных натолкнули странности в поведении Урана: каждый раз после очередного уточнения характеристик его орбиты гигант медленно, но верно отклонялся от вычисленной траектории. Со временем стало очевидно, что аномалии в движении Урана вызваны притяжением ещё одной планеты, орбита которой находится далеко за его орбитой.
Два математика и астронома британец Джон Адаме и француз Урбен Леверье независимо друг от друга рассчитали путь неизвестной планеты, благодаря чему немецкие астрономы Иоганн Галле и Гейнрих д'Арре 23 сентября 1846 г. и обнаружили Нептун. А уже через 17 дней, 10 октября, английский астроном-любитель Уильям Ласселл с помощью домашнего телескопа открыл самый большой спутник Нептуна — Тритон, радиус которого равен 1353 км.
Нептун.
Внутреннее строение планеты.
На снимке, сделанном «Вояджером», виден рельеф облаков на Нептуне.
Большое Темное Пятно на Нептуне.
Атмосфера Нептуна состоит в основном из водорода (80%), гелия (19%) и метана (1%), окрашивающего её в голубой цвет. На видимой поверхности Нептуна наблюдаются облачные полосы, а также тёмные и светлые пятна — вихри. Кроме того, на южном полюсе планеты обнаружена горячая область, температура которой на 10 К выше, чем в среднем по планете. Нептун излучает в космос в 2,6 раза больше энергии, чем получает от Солнца, и, следовательно, имеет внутренний источник тепла неизвестной природы.
В атмосфере Нептуна образуются гигантские шторма и дуют самые быстрые в Солнечной системе ветры. Эти ветры дуют вдоль экватора планеты в направлении, противоположном её вращению. Они в три раза мощнее юпитерианских и в девять раз превосходят земные. Кроме того, на Нептуне замечены гигантские антициклоны — аналоги Большого Красного Пятна на Юпитере, которые сравнимы с ним по размеру, но живут гораздо меньше.
В 1989 г. «Вояджер-2» подтвердил гипотезу о существовании у Нептуна колец. Их оказалось шесть — слабых и полупрозрачных. Эти кольца очень непостоянны, скорее всего, молоды и просуществуют недолго.
К маю 2010 г. у Нептуна было обнаружено 13 спутников, шесть из которых были найдены «Вояджером-2». Два из них — Нереида и Тритон — обращаются вокруг планеты в обратном направлении. Нереида имеет одну из самых вытянутых орбит в Солнечной системе, а на Тритон, превосходящий размером Луну, приходится 99,5% массы всех спутников планеты.
Тритон отличается большой плотностью (2 г/см3) и самой низкой температурой поверхности среди спутников Солнечной системы (-235 °С). Он имеет очень тонкую газовую оболочку, верхний слой которой на 99% состоит из азота. В нижних слоях атмосферы обнаружены метан и угарный газ (СО). На поверхности спутника есть кратеры, каньоны и горы, а гейзеры жидкого азота выбрасывают кипящий газ на высоту 7–8 км.
* * *
Астероиды Астероиды — малые тела Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца, значительно уступающие планетам по массе и размерам, слишком маленькие для того, чтобы под действием сил собственной гравитации поддерживать сферическую форму, и не имеющие атмосферы. Хотя некоторые астероиды при этом могут иметь собственные спутники. Размер — главный параметр, по которому проводят классификацию малых тел Солнечной системы. Астероидами считаются тела с диаметром более 30 м, а тела меньшего размера называют метеороидами. Первые астероиды были открыты в начале XIX столетия. Все они были настолько малы, что даже при максимальном увеличении выглядели слабыми звёздочками, не имеющими заметного диска. Поэтому Уильям Гершель предложил называть их астероидами, т. е. «звёздоподобными». В настоящий момент в Солнечной системе обнаружены сотни тысяч астероидов и предполагается, что число объектов, имеющих размеры более 1 км, составляет от 1,1 до 1,9 миллиона. Орбиты большинства известных астероидов расположены между орбитами Марса и Юпитера. Их средние расстояния от Солнца составляют от 2,2 до 3,6 астрономических единиц. Они образуют так называемый главный пояс астероидов. Все астероиды, как и большие планеты, движутся в прямом направлении. Периоды их обращения вокруг Солнца составляют, в зависимости от расстояния до светила, от трёх до девяти лет. Если на макете Солнечной системы орбиты астероидов изобразить проволочными кольцами, то получится рыхлый ажурный тор хаотически переплетённых в пространстве эллипсов. В этом хаосе, однако, была подмечена интересная закономерность: отсутствуют астероиды с большими полуосями орбит, равными 3,3 и 2,1 астрономических единиц, а также с некоторыми другими. Это происходит вследствие влияния Юпитера — самой большой и массивной планеты Солнечной системы. Гравитационное воздействие газового гиганта просто-напросто выкидывает астероиды из некоторых областей пространства. Если размер — это главный параметр классификации малых тел Солнечной системы, то как же измеряют размеры астероидов? Обычно, чтобы узнать размер какого-либо астрономического объекта, расстояние до которого известно, необходимо измерить угол, под которым он виден с Земли. Однако астероиды не случайно так названы: их изображения действительно похожи на звёзды. Даже в крупные телескопы при отличных атмосферных условиях, применяя очень сложные, трудоёмкие методики, удаётся получить довольно нечёткие очертания дисков лишь нескольких самых крупных астероидов. На помощь приходит фотометрия: с помощью весьма точных приборов измеряется блеск небесного светила, который при прочих равных условиях определяется площадью его диска. Детально изучить астероид можно только с близкого расстояния — с помощью космического зонда. Первая такая встреча произошла в 1991 г., когда американский зонд «Галилео», пролетая мимо астероида 951 Гаспра, передал его изображения на Землю. На них хорошо просматриваются угловато-сглаженная форма астероида и его кратерированная поверхность. К 2010 г. космические зонды посетили уже 10 астероидов.
Астероид Гаспра.
На Тритоне сменяются времена года. Это происходит так же, как на Земле, хотя и гораздо медленнее, ведь год длится на спутнике 165 земных лет. Кроме того, атмосферное давление на спутнике «скачет» не на «миллиметры ртутного столба», как у нас, а в разы.
Тритон, этот удивительный ледяной мир, через десятки миллионов лет будет разрушен гравитацией Нептуна. Под действием неё спутник приближается к планете и в конце концов подойдёт к ней так близко, что его разорвёт на части, а из его обломков может сформироваться большое и яркое кольцо, видимое с Земли.
Кометы.
Комета (от др.-греч. волосатый, косматый) — небольшое небесное тело, обращающееся вокруг Солнца и имеющее туманный вид. Когда комета приближается к Солнцу, вокруг её ядра образуется облако из пыли и газа, которое называется комой. Вместе ядро и кома образуют «голову» кометы. Чем ближе к Солнцу — тем сильнее растёт «голова» кометы, а иногда у неё появляется газовый и пылевой «хвост».
С древнейших времён до наших дней замечено и описано уже около 4000 комет. Самым коротким маршрутом ходит комета Энке — от орбиты Меркурия до Юпитера и обратно за 3,3 года. Самая далёкая из тех, что наблюдались дважды, — комета, открытая в 1 788 г. Каролиной Гершель и вернувшаяся через 1 54 года с расстояния 57 а. е. В 1914 г. на побитие рекорда дальности пошла комета Делавана. Она удалится на 1 70 000 а. е. и «финиширует» через 24 млн. лет.
Комета Донати. Рисунок 1884 г.
Фотография кометы С2001, сделанная телескопом Обсерватории Китт-Пик 7 мая 2004 г.
Хотя законы, управляющие движением планет и комет, одни и те же, их поведение и области обитания сильно различаются. Орбиты планет — эллипсы, близкие к окружностям. Орбиты комет — вытянутые эллипсы, почти параболы. Планеты движутся в плоскости тонкого диска в одном направлении. Пути комет — это настоящий клубок орбит, ориентированных в пространстве без порядка. Кометы ходят по ним одни — против, другие — по часовой стрелке (обратное движение).
Движение планет устойчиво, они не меняют заметно своих орбит. Кометы, регулярно пересекая дороги больших планет, меняют орбиты. Обычно изменения незначительны, но если странница пролетит мимо планеты-гиганта ближе чем в полумиллиарде километров, то величина и направление её орбиты могут измениться до неузнаваемости.
Особенно сильно влияние Юпитера. Набрасывая гравитационное лассо, он «одомашнивает» кометы, переводит их на короткие орбиты — от Солнца до Юпитера и обратно. Сегодня в табуне Юпитера около сотни «захваченных» комет. По десятку комет держат Сатурн и Нептун. Три кометы пасёт Уран. Есть ещё подозрительное стадо, гуляющее до границы 50–60 а. е. Стадо есть, а пастуха нет…
Кометы — самые протяжённые тела Солнечной системы. У кометы 1811 г. одна голова по объёму в шесть-восемь раз превосходила Солнце. У кометы 1882 г. хвост был больше, чем расстояние от Солнца до Юпитера. Но при всех своих невообразимых размерах хвосты, состоящие из плазмы, газа и дыма, настолько разреженны, что на Земле такая среда считается вакуумом.Ядро кометы состоит из льдов, внутри уплотнённых, а снаружи пористых, губчатых, пушистых. Пока до Солнца далеко, комета, промороженная до -260 °С, спит глубоким сном: ни головы, ни хвоста. Основу льдов (более 80%,) составляет вода, остальное — твёрдая углекислота, именуемая сухим льдом, метановый, аммиачный лёд и другие замороженные газы.
Когда комета достигает расстояния 4,5 а. е. от Солнца и её обогрев достигает 1/20 нагрева Земли, то температура верхнего слоя льда поднимается до -140 °С. В этот момент открытые льды начинают испаряться: переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя стадию жидкости, называется возгонкой. Так образуются сначала кома, а потом и хвост кометы.
Очень близкое прохождение около Солнца грозит ядру развалом, разрывом на части, как уже не раз бывало. Но если комета благополучно миновала перигелий, она, побушевав ещё немного, «успокаивается» и застывает до очередной встречи с Солнцем.
Метеоры и метеорные потоки.
Наш «дом», планета Земля, тесно связан с космосом. Наблюдать прибытие на Землю космического вещества может каждый. Достаточно в ясную ночь провести хотя бы час, всматриваясь в звёздное небо, и вы наверняка заметите огненную черту, прорезающую небосвод. Это — падающая звезда, или метеор. Иногда их бывает много — целые звёздные ливни. Но сколько бы их ни пролетело, вид звёздного неба не изменится: падающие звёзды не имеют отношения к звёздам настоящим.
Поток Леониды. Рисунок 1833 г.
Поток Персеиды слева от Млечного Пути, 2009 г.
Метеоры в атмосфере Земли.
В пространстве, окружающем нашу планету, движется множество твёрдых тел разных размеров — от пылинок до глыб поперечником в десятки и сотни метров. Чем больше размер тел, тем реже они встречаются. Поэтому пылинки сталкиваются с Землёй ежедневно и ежечасно, а глыбы — раз в сотни и даже тысячи лет. Тело массой в доли грамма, вторгаясь в земную атмосферу с огромной скоростью (десятки километров в секунду), раскаляется от трения о воздух и целиком сгорает на высоте 80–100 км. В этот момент наблюдатель на Земле видит метеор. Уже давно люди заметили, что в отдельные ночи появлялось очень много метеоров. Это были настоящие звездопады, повергавшие очевидцев в изумление, а порой и в ужас. В ноябре 1799 г. такой звездопад наблюдал в Южной Америке известный немецкий путешественник и учёный Александр Гумбольдт. Он обратил внимание на то, что метеоры двигались по небу не как попало, а словно бы истекали из одной области на небе, т. е. обратные продолжения этих огненных стрел пересекались в одной точке. Эту точку стали именовать радиантом метеорного потока.
Метеор проходит через атмосферу. Фото с МКС.
Принадлежащие одному потоку частицы летят в атмосфере по параллельным траекториям, а в перспективе мы видим их как бы исходящими из одной точки. Точно так же сходятся к горизонту железнодорожные рельсы, если смотреть вдоль них. Позднее была открыта связь метеорных потоков с кометами.
Ядра комет состоят из льдов с вкрапленными в них твёрдыми частицами. При сближении с Солнцем льды испаряются и покидают ядро, увлекая за собой твёрдые пылинки и песчинки. Самые мелкие из них солнечный ветер уносит в хвост кометы, а затем и вообще выметает за пределы планетной системы. Однако более тяжёлые частицы некоторое время окружают облаком ядро кометы, а потом рассредоточиваются вдоль её орбиты, образуя что-то вроде бублика — тор, осью которого является кометная орбита. Если орбита Земли пересекается с этим тором, частицы налетают на планету, порождая явление метеорного потока. Более того, ровно через год, когда Земля вернётся к этому месту своей орбиты и снова окунётся в рой мелких частиц, метеорный поток повторится — в те же даты, что и в прошлом году.
Кроме метеоров, принадлежащих потокам, наблюдаются и другие, потоков не образующие. Их называют спорадическими. По своему происхождению они схожи с падающими на Землю метеоритами.
Метеориты.
Падающие с неба камни или куски железа называют метеоритами. Падение метеорита — явление редкое и может произойти в любой точке земного шара. Обычно небесные странники падают в океаны, на которые приходится более 2/3 земной поверхности. Поэтому они очень редко причиняют вред людям. Достоверно зафиксировано только два случая попадания метеоритов в людей (оба без серьёзных последствий), ничтожен и причинённый ими материальный ущерб.
Метеориты образуются, когда в атмосферу нашей планеты влетает с относительно невысокой скоростью достаточно большой кусок космического вещества. В этом случае атмосфера успевает «притормозить» его, прежде чем он полностью сгорит, и его остаток упадёт на поверхность Земли. Это и есть метеорит.
Падение метеорита сопровождается полётом по небу огненного шара и громоподобными звуками. Наконец, когда масса влетевшего тела ещё больше, то атмосфера уже не может погасить всю его скорость, и оно врезается в поверхность Земли, оставляя на ней космический шрам — метеоритный кратер или воронку.
Следы ударов метеоритов (иногда их называют астроблемы — «звёздные раны») остались на поверхности нашей планеты. Наиболее известный из них — кратер в Аризоне — имеет в поперечнике более 1 км и образовался 50 тыс. лет назад. Сухой климат пустыни обеспечил его хорошую сохранность. Внешние следы других космических шрамов в значительной степени стёрты последующими геологическими процессами. Одно из крупнейших известных ныне таких образований находится на севере Сибири. Это Попигайский метеоритный кратер диаметром 100 км.
Метеоритам принято давать имена по географическим названиям мест, соседствующих с местом падения или находки. Чаще всего это название ближайшего населённого пункта, но выдающимся метеоритам присваивают более общие имена. Два самых крупных падения XX в. произошли на территории России: Тунгусское (30 июня 1908 г.) и Сихотэ-Алинское (12 февраля 1947 г.).
Метеориты делятся на три больших класса: железные, каменные и железокаменные. Они состоят из тех же элементов, что и земные горные породы, но сочетания этих элементов, т. е. минералы, могут быть и такими, какие на Земле не встречаются. Это связано с особенностями образования тел, породивших метеориты.
Метеориты являются осколками астероидов, которые населяют в основном зону между орбитами Марса и Юпитера. Астероиды сталкиваются, дробятся, изменяют орбиты друг друга, так что некоторые осколки иногда пересекают орбиту Земли. Эти осколки и дают метеориты.
Метеорит Хоба.
Сихотэ-Алинский метеорит.
Вычислить с удовлетворительной точностью орбиты метеоритов очень трудно, т. к. их падение явление очень редкое и непредсказуемое. В нескольких случаях это удалось сделать, и все орбиты оказались типично астероидными. В 2008 г. было получено прямое доказательство астероидного происхождения метеоритов: наземными наблюдениями был обнаружен маленький астероид очень близко от Земли, вычислены время и место его встречи с Землёй. В этом месте был сфотографирован пылевой след болида, а затем группа поиска обнаружила и несколько экземпляров раздробившегося метеорита.