Общее представление о Космосе и Солнечной системе

РАЗДЕЛ I

ЗЕМЛЯ — ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

 

Земля во Вселенной

 

Общее представление о Космосе и Солнечной системе

 

Земля, колыбель человечества и наш общий дом, является частью Вселенной и поэтому испытывает мощное космическое воз­действие. Особенно велико влияние на Зем­но Солнца, происходящих на нем физико-химических процессов и Луны.

Вселенная является иерархической организацией. Космические тела благодаря притяжению образуют системы различной сложности: планеты с их спутниками Солнечная система звездная система Галактика (более 100 млрд. звезд) Метагалактика (не­сколько миллиардов галактик) —> Вселенная (Космос).

Основным «населением» Вселенной явля­ются звезды, в которых содержится около 98 % космического вещества. Звезды – это огромные раскаленные самосветящиеся газовые шары, состоящие из водорода и частично гелия, которые при высокой температуре находятся в ионизированном состоянии, т. е. в состоя­нии плазмы. Звезды различны по температуре, размерам, массе, плотности, цвету, свети­мости, блеску и т. д.

Солнце вместе с другими звездами Галакти­ки обращается вокруг ее центра со скоростью около 250 км/с, совершая полный оборот при­мерно за 200 млн. лет. Галактический год наи­более крупный цикл космобиоритмики. Его про­должительность более или менее совпадает с периодами между крупными тектономагматическими эпохами на Земле. Это косвенно сви­детельствует о приливном характере сил, вы­зывающих деформации земной коры. В разные периоды галактического года Солнечная систе­ма может оказываться в разной гравитацион­ной ситуации. Поэтому можно предположить, что на протяжении галактического года могут проявляться своеобразные галактические сезо­ны. При этом на Земле, по-видимому, проис­ходит перераспределение площади суши и оке­ана, изменение климата, многих форм биоса, т. е. ландшафтной обстановки в целом.

Движение Галактики напоминает движение роя комаров — рой движется в одну сторо
ну, но отдельные насекомые могут хаотично перемещаться внутри его в различных направ­лениях. Так и Солнечная система – она дви­жется внутри Галактики относительно окружа­ющих ее звезд в направлении созвездия Гер­кулес со скоростью около 20 км/с.

Все звезды, которые мы наблюдаем нево­оруженным глазом (их около 3000), принад­лежат Галактике. Она сильно сплющена и со стороны должна быть видна в форме двояко­выпуклой линзы со спиралевидными ветвями, выходящими из центра. В плоскости наиболь­шего протяжения и вращения Галактики – га­лактического экватора скучено максимальное количество звезд. Здесь же, ближе к краю Га­лактики, расположено и Солнце. Когда мы обозреваем звездное небо, то видим, что звез­ды расположены неравномерно. Если луч зре­ния направлен вдоль плоскости галактическо­го экватора, то видно множество звезд, в том числе и далеких, слабо светящихся. Они опоя­сывают небесную сферу в виде гигантского светлого кольца, которое называется Млеч­ный Путь. Это наша Галактика, видимая с «ребра». Ширина Млечного Пути колеблется от 5 до 30°. Он обладает наибольшей яркос­тью в созвездии Стрельца. Если же смотреть на небосвод по обе стороны от Млечного Пу­ти, то звезд будет раз в десять меньше и они будут ближе и ярче.

Еще в древности небо было разделено на участки, получившие название созвездий. В них яркие звезды группируются в неповто­римые конфигурации, что помогает разыски­вать их на небесном своде. Близость звезд в созвездиях — явление кажущееся. Большин­ство звезд находится весьма далеко друг от друга, но на малых угловых расстояниях. В настоящее время выделено 88 созвездий¹, из них 12 называются зодиакальными: Козерог, Водолей, Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец. На

 

 

Рис. 1. Годовое движение Земли вокруг Солнца и поло­жение Солнца в зодиакальных созвездиях

их фоне проходит видимое перемещение Солн­ца в течение года по большому кругу небес­ной сферы, который называется эклиптикой. Оно является отражением годового движения Земли по орбите вокруг Солнца. Частично эк­липтика проходит и по созвездию Змееносец, которое официально не причислено к зодиа­кальным (рис. 1).

В состав Солнечной системы входят Солн­це, 9 больших планет, более 60 спутников

планет, малые планеты – астероиды, коме­ты, метеоры и метеорные потоки, космичес­кая пыль. За размеры Солнечной системы условно принимают орбиту Плутона, кото­рый находится от Солнца на расстоянии 5,9 млрд. км (почти в 40 раз дальше, чем Земля). Солнечная система чрезвычайно уеди­нена в пространстве. Если условно принять расстояние от Земли до Солнца за 1 м, то ближайшая к Солнцу звезда Проксима Цен­тавра в этом масштабе будет находиться на расстоянии 272 км!

Солнце

Солнце — центр нашей планетной систе­мы, источник жизни на Земле, источник энер­гии для многих природных процессов, тепла и света. Солнце -— рядовая желтая звез­да средней величины, вращающаяся вокруг оси. Оно находится от Земли на расстоянии 149,6 млн. км (одной астрономической едини­цы). Диаметр его в 109 раз больше диамет­ра Земли, масса — в 333 000 раз больше мас­сы Земли, объем — в 1 300 000 раз больше объема Земли, плотность вещества почти в 4 раза меньше плотности Земли, ускорение силы тяжести в 28 раз больше, чем на Земле, температура на его поверхности око­ло 6000 К.

Солнце излучает огромное количество энер­гии, но Земля, малая пылинка Космоса, по­лучает всего лишь одну двухмиллиардную ее часть. Источником солнечной энергии служат термоядерные реакции превращения водорода

в гелий в центральных частях Солнца, где тем­пература превышает 10 млн. К. Солнечная ра­диация представляет собой совокупность кор­пускулярного и электромагнитного излучения. Корпускулярная составляющая — поток плаз­мы, состоящий из протонов и электронов (так называемый солнечный ветер) и достигающий через сутки околоземного пространства, поч­ти полностью обтекает магнитосферу Земли. Электромагнитная радиация (лучистая энергия Солнца) проникает в атмосферу и в виде пря­мой и рассеянной радиации доходит до земной поверхности, обеспечивая постоянство суще­ствующей термодинамической обстановки. По­ток электромагнитного излучения незначитель­но меняется в течение года из-за почти кру­говой орбиты Земли: в январе он на 3 – 4 % больше, нежели в июле. Постоянство термо­динамической обстановки на земной поверх­ности обеспечивает и атмосфера, которая

служит фильтром для электромагнитного из­лучения, а также Мировой океан, являющий­ся регулятором тепла.

Солнечная активность подвержена цикли­ческим колебаниям: годы «активного Солнца» чередуются с годами «спокойного Солнца». В среднем активность всех процессов на Солн­це изменяется с периодом 11 лет. Но, поми­мо 11-летних циклов, отмечают 22-летние, ве­ковые — через 80—90 лет и более длитель­ные — через 900 и 1850 лет. Обнаружена корреляция между наиболее изученным 11-летним циклом солнечной активности и многими физико-химическими явлениями, про­исходящими в магнитосфере (магнитные бу­ри), в верхних слоях атмосферы (полярные си-

яния), в нижних слоях атмосферы (изменение давления, количества осадков, погоды в це­лом), в литосфере, гидросфере и биосфере.

Синхронность проявления гелиофизических и геофизических процессов говорит об их при­чинно-следственных связях. В частности, ме­ханизмы связей между деятельностью Солнца и живой природой были вскрыты в 20-х гг. XX в. А. Л. Чижевским, который заложил фун­даментальные основы новой науки – гелио­биологии. В настоящее время взаимосвязи солнечных и земных процессов систематичес­ки изучаются не только наземными «служба­ми Солнца», но и с помощью различных, в том числе пилотируемых, искусственных спут­ников Земли.

Планеты

В состав Солнечной «семьи» входят 9 боль­ших планет. Планеты расположены в следую­щем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (три последние видны только в теле­скоп). Планеты обладают рядом общих свойств: а) все они шарообразны, имеют оболочное строение, т. е. состоят из концентрических сфер, различающихся составом и строением вещества; б) обращаются вокруг Солнца, как и оно, в прямом направлении, т. е. против ча­совой стрелки для наблюдателя, смотрящего со стороны Северного полюса; в) в том же направлении происходит и осевое вращение большинства планет (кроме Венеры и Урана); г) орбиты большинства планет (кроме Мер­курия и Плутона) близки по форме к окруж­ностям и лежат примерно в одной плоскости, близкой к плоскости солнечного экватора; расстояния планет от Солнца возрастают в геометрической прогрессии; д) все планеты светятся отраженным от Солнца светом и пе­ремещаются на фоне созвездий (греч. р1апе1е& — блуждающий), в отличие от звезд.

Планеты по размерам, химическому соста­ву, плотности и другим природным свойствам подразделяются на две группы: внутрен­нюю — планеты земного типа и внешнюю — планеты-гиганты типа Юпитера.

К внутренней группе планет относятся Мер­курий, Венера, Земля, Марс. Все они неболь­шие по величине и массе твердые тела, со­стоящие из кремния, железа и других тяже­лых элементов. Им свойственна глобальная асимметрия поверхности; они обладают незна­чительными по массе атмосферами или их от­сутствием (Меркурий); все планеты медленно вращаются вокруг оси и поэтому имеют не­большое полярное сжатие, но обладают боль-

шой скоростью орбитального движения; они имеют мало спутников, всего три — Луна у Земли, Фобос и Деймос у Марса. Примеча­тельная черта поверхности планет земной груп­пы и их спутников — кольцевые структуры разного размера и происхождения (тектониче­ского, метеоритного). На поверхности Земли кольцевые структуры завуалированы благода­ря наличию атмосферы, в которой сгорает большинство космических тел, а также из-за выветривания и энергично протекающих про­цессов эрозии.

К внешней группе относятся далекие пла­неты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все они гиганты, обладающие большими размерами и массами, в одном только Юпитере заключено 70% массы всех планет вместе с их спутни­ками; это холодные тела, ядра их сложены ка­менным материалом и льдом, а мощные об­лачные атмосферы состоят из легких замерз­ших газов (водорода, гелия, аммиака, метана и др.); они быстро вращаются вокруг оси и имеют большое полярное сжатие (самое боль­шое у Сатурна — 1/10), но у них медленное орбитальное движение (у Нептуна — 165 лет). У этих планет много спутников (более 60), причем самый крупный — Ганимед Юпитера (около 5150 км в диаметре) — больше Мер­курия (4880 км) по размеру. Невиданный в ис­тории «урожай» спутников (24) дали амери­канские космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2» во время исторического двенад­цатилетнего странствования (1977—1989гг.). Кроме того, благодаря этим исследованиям уда­лось обнаружить, что все планеты-гиганты ок­ружены кольцами, состоящими, в свою оче­редь, из тысяч отдельных колечек, образован­ных каменными глыбами, их обломками и пылью.

Рис. 2. Иллюстрации законов Кеплера (заштрихованы рав­новеликие секторы)

Самая далекая сравнительно недавно от­крытая (1930 г.) планета Плутон со спутни­ком Харон (точнее, двойная планета Плутон-Харон) еще слабо изучена. О происхождении Плутона существует много версий. Высказы­вались предположения, что он «оторвавший­ся» спутник Нептуна или малая планета типа астероида.

Движение планет. До открытия Н. Ко­перника (XVI в.) в течение пятнадцати веков господствовала геоцентрическая система ми­ра Клавдия Птолемея, согласно которой в центре мироздания находилась Земля, а Солн­це и планеты вращались вокруг нее. Гениаль­ная мысль греческого астронома Аристарха Са-мосского (III в. до н. э.) о том, что планеты, в том числе и Земля, движутся вокруг Солн­ца, на 1700 лет предвосхитившего открытие Н. Коперника, игнорировалась. Система Ко­перника с Солнцем в центре называется ге­лиоцентрической (греч. helius — Солнце). Согласно учению Н. Коперника (1543 г.), Зем­ля — рядовая планета, движущаяся, наряду с другими планетами, по круговым орбитам во­круг Солнца.

Истинную картину орбит планет и их движений установил австрийский астроном И. Кеплер (XVII в.), который сформулировал законы движения планет. Первый закон — о форме планетных орбит: все планеты движут­ся по эллипсам, в одном из фокусов которых, общем для орбит всех планет, находится Солн­це. Степень вытянутости эллипса определяет­ся величиной его эксцентриситета, т. е. отношением фокусного расстояния к длине большой полуоси. И хотя эксцентриситеты

большинства планет невелики (у Земли = 0,016), из этого закона следует, что рас­стояние от планет до Солнца в течение года меняется. Так, у Земли оно изменяется от 152 млн км в наиболее далекой точке орби­ты — афелии до 147 млн км в ближайшей точке — перигелии.

Второй закон характеризует скорость дви­жения планет по орбитам: радиус-вектор пла­неты в равные времена описывает равновели­кие площади. Следствие из этого закона — изменение скорости движения планет по ор­битам. Так, у Земли при средней скорости 29,8 км/с оно изменяется от 30,3 км/с близ перигелия до 29,3 км/с близ афелия (рис. 2). Все это сказывается на продолжительности дней и ночей и термических особенностях се­верного и южного полушарий. В северном по­лушарии полярный день на полюсе на неде­лю длиннее полярной ночи, а лето длиннее зи­мы. В целом же северное полушарие Земли летом из-за более продолжительного освеще­ния получает больше солнечной радиации, не­смотря на удаленность от Солнца, и находит­ся в более выгодных тепловых условиях, чем южное.

Законы Кеплера дают геометрию, но не вскрывают причины движения планет. Ис­пользуя законы Кеплера, опираясь на общие законы движения тел (законы динамики), И. Ньютон доказал, что движение планет под­чиняется силе притяжения, которая пропор­циональна массам взаимодействующих тел (Солнца и планеты) и обратно пропорциональ­на квадрату расстояния между ними.

Итак, основная сила, управляющая движе­нием тел Солнечной системы, — притяжение Солнца. Планеты, в свою очередь, вызывают ускорение в движении спутников. Хотя взаим­ное притяжение планет друг к другу невели­ко, но оно вызывает отклонения в движении планет — так называемые возмущения. Так как притяжение зависит от массы тела и рас­стояния между ними, то наибольшие возму­щения на Земле вызывают крупные планеты (Юпитер) и особенно близко расположенные тела (Луна). Сейчас в связи с запуском к пла­нетам и их спутникам космических аппара­тов строго учитываются особенности движе­ния и силы гравитации планет и их спут­ников.