Глава 10. Уникальная система Земля – Луна.

3 февраля 1966 года на поверхность Луны успешно совершила мягкую посадку советская автоматическая станция «Луна-9». С тех пор ведутся постоянные исследования как наружной, так и обратной стороны Луны. Обратная сторона Луны, скрытая от наших глаз, впервые была сфотографирована советской автоматической станцией «Луна-3» в 1959 году. Выяснилось, что по своим рельефу и структуре поверхности обратная сторона Луны ничем не отличается от наружной.

Рис.10/2. Видимая поверхность Луны крупным планом.

Рис.10/3. Обратная сторона Луны.

Так как Земля и Луна, по представлениям современной астрономии, составляют единую систему тел, то взаимно влияют друг на друга. Влияние Луны на Землю выражается в таком природном явлении, как океанские приливы и отливы. Под действием лунного притяжения водная оболочка Земли принимает слегка вытянутую в сторону Луны форму. Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются каждый следующий момент уже в новых точках земной поверхности. Поэтому в течение одного оборота Луны (24 ч 52 мин) они обойдут вокруг всего земного шара; за это время в каждом месте случаются два прилива и два отлива. Солнце, как и Луна также вызывает приливы. Во время полнолуний и новолуний лунные и солнечные приливы складываются и наблюдаются самые большие приливы.

Так как Земля из-за своей сплюснутости имеет избыток массы в экваториальной области, то Луна и Солнце своим притяжением этих выступов стремятся повернуть Землю таким образом, чтобы земной экватор совместился с плоскостью эклиптики. Этот поворот складывается с осевым вращением Земли и приводит к медленному обращению оси вращения Земли вокруг направления на полюс эклиптики с периодом примерно 26 000 лет. Такие сдвиги называются прецессия. Прецессия — явление, при котором момент импульса тела меняет свое направление в пространстве под действием момента внешней силы.

Вопрос о времени возникновения системы Земля – Луна относится к одним из интереснейших вопросов астрономии и истории.

Для обычного спутника, которых так много у остальных планет Солнечной системы, Луна слишком велика, в этом и состоит уникальность парной системы Земля – Луна, и в этом кроется одна из самых интересных загадок астрономии. Масса Луны примерно в 81 раз меньше массы Земли, и ни у одной из планет Солнечной системы нет спутника с подобным соотношением массы.

Изучая мифы народов, находящихся еще на стадии первобытного общества, этнографы заметили интересную деталь. В тех мифах, которые описывали происхождение народа, и самые ранние периоды его развития, никаких упоминаний о Луне не было вообще. В некоторых трудах древнегреческих ученых есть смутные упоминания о долунном периоде истории. В ряде эпических сказаний полинезийцев встречаются такие фразы: «…а потом на небе появилась Луна…». Летоисчисление древних египтян по солнечным циклам начинается с 11542 года до нашей эры. Древние вавилоняне гораздо больше почитали Луну, а не Солнце – но и их летосчисление, хотя и по лунным циклам, начинается с того же самого года. У древних индусов начало календаря – 11652 год до нашей эры, а у древних майя 11653 год до нашей эры. Что это, простые совпадения, или за этими совпадениями кроется какая-то общая причина? Римский историк Плиний в одном из своих трудов рассказывает слышанную им от деда легенду о гибели большого материка Атлантиды. Путем вычислений по трудам Плиния было установлено, что мифическая Атлантида погибла около 12000 лет до нашей эры. Скалам Ниагарского водопада, по анализам ученых, 12000 лет, а в пустынях Монголии обнаружено целое кладбище акульих зубов возрастом около 12000 лет. Неужели здесь раньше было море? В горах Сванетии нашли череп оленя возрастом 12000 лет. Но ведь олени – равнинные животные, и прыгать по горам просто не могут. Значит, здесь когда-то не было никаких гор?

Эти совпадения привели ученых к мысли, что вся наша планета примерно 14000-12000 лет назад пережила какую-то страшную глобальную катастрофу. Одной из возможных причин этой катастрофы как раз и называют появление Луны. По этой версии, Луна была самостоятельной маленькой планетой, но подошла слишком близко к Земле и оказалась захваченной полем земного тяготения. Появление такого большого спутника вызвало целую лавину природных катаклизмов – наводнений, землетрясений, разрушения или образования гор.

Глава 11. Планеты земной группы.

Повторим, что к планетам земной группы относятся, помимо Земли, также Меркурий, Венера и Марс. По характеру астрономических наблюдений Меркурий и Венера являются по отношению к Земле внутренними планетами, то есть, их орбиты лежат между Солнцем и орбитой Земли.

Наибольшее удаление Меркурия доходит до 28°, Венеры — до 48°. Поэтому внутренние планеты всегда видны вблизи Солнца либо утром в восточной стороне неба, либо вечером в западной стороне неба. Из-за близости Меркурия к Солнцу увидеть эту планету невооруженным глазом удается редко. Венера отходит от Солнца на небе на больший угол, и она бывает ярче всех звезд и планет. После захода Солнца она дольше остается на небе в лучах зари и даже на ее фоне видна отчетливо. Также хорошо она бывает видна и в лучах утренней зари. Понятно, что в южной стороне неба, а также среди ночи ни Меркурий, ни Венеру увидеть нельзя.Если, проходя между Землей и Солнцем, Меркурий или Венера проецируются на солнечный диск, то они тогда видны на нем как маленькие черные кружочки. Подобные прохождения по диску Солнца во время нижнего соединения Меркурия и особенно Венеры бывают сравнительно редко, не чаще чем через 7—8 лет. Освещенное Солнцем полушарие внутренней планеты при разных положениях ее относительно Земли нам видно по- разному (рис. 9/2). Поэтому для земных наблюдателей внутренние планеты меняют

свои фазы, как Луна.

В отличие от Меркурия и Венеры Марс, еще одна планета земной группы, является по отношению к орбите Земли внешней. Условия наблюдения внешних планет отличаются рядом особенностей.

Внешние планеты могут находиться по отношению к Земле за Солнцем (в соединении с ним), как Меркурий и Венера, и тогда они тоже теряются в солнечных лучах. Но они могут находиться и на продолжении прямой линии Солнце — Земля, так что Земля при этом оказывается между планетой и Солнцем. Такая конфигурация называется противостоянием. Она наиболее удобна для наблюдений планеты, так как в это время планета, во-первых, ближе всего к Земле, во-вторых, повернута к ней своим освещенным полушарием и, в-третьих, находясь на небе в противоположном Солнцу месте, планета бывает в верхней кульминации около полуночи и, следовательно, долго видна и до, и после полуночи.

Рис.11/1. Противостояние планеты.

Так как Марс и Земля движутся по своим орбитам, имеющим различные размеры и параметры, противостояния Марса повторяются строго в определенных точках его орбиты и орбиты Земли. На сегодняшний день точно известно, что противостояния Марса повторяются с интервалом в 2 года и 50 дней. В тот момент, когда противостояние Марса происходит в точке его орбиты, максимально приближенной к Земле, происходят «Великие противостояния Марса». Такое явление происходит через каждые 15 – 17 лет. Большинство крупных открытий, касающихся Марса,как раз и были сделаны во время Великих противостояний. В силу взаимовлияния Земли, Солнца и Марса во время Великих противостояний наступает момент, когда расстояние между Землей и Марсом сокращается до минимально возможного. Такие моменты называются «Величайшими противостояниями», и повторяются каждые 79 лет. Последний раз Величайшее противостояние наблюдалось 28 августа 2003 года.

Рис.11/2. Марс в противостоянии, 2016 год.

По своим геологическим характеристикам планеты земной группы имеют ряд сходных особенностей. Самая главная из них – наличие литосферы, то есть, твердой оболочки планеты. Из четырех планет земной группы только Меркурий не имеет атмосферы. По своему составу атмосферы Венеры и Марса весьма близки между собой, но значительно отличаются от земной. Считается, что атмосферы Венеры и Марса в основном сохранили тот первоначальный химический состав, который когда-то имела и земная атмосфера. Однако, за миллионы лет земная атмосфера значительно уменьшила содержание углекислого газа и обогатилась кислородом. Произошло это за счет двух процессов:

- растворение углекислого газа в земных водоемах, которые, по-видимому, никогда не замерзали

- выделение кислорода появившейся зеленой растительностью

Оба указанных процесса происходили на Земле, но никак не могли происходить ни на Венере, ни на Марсе. Скорее всего, это обусловлено оптимальным расстоянием Земли от Солнца и, как следствие, оптимальными температурами на ее поверхности.

1. Меркурий – самая близкая от Солнца планета, во многом похожая на Луну, которую лишь немного превосходит по размерам. На поверхности имеются немного возвышенные материки, низменности, заполненные застывшей лавой – их меньше, чем на Луне. Крупнейшая такая низменность на Меркурии называется Море Зноя, и имеет диаметр 1300 км. Самым многочисленным компонентом рельефа являются кратеры метеоритного происхождения. Меркурианские «сутки» имеют продолжительность 176 земных, и перепады температуры в течение этого периода значительно больше, чем на поверхности Луны. На дневной стороне планеты в точке, для которой Солнце находится в зените, температура достигает 690К. При такой температуре плавятся свинец, олово и цинк. На ночной стороне минимальная температура падает ниже 100К (-173⁰ С).

2. Венера по своим размерам и массе схожа с Землей, поэтому иногда ее называли «планета-сестра». Наличие у Венеры атмосферы доказал еще М.В.Ломоносов, в результате личных наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца в 1761 году. Однако плотность венерианской атмосферы значительно выше, чем плотность земной, поэтому поверхность Венеры постоянно окутана плотным покровом облаков. Изучение поверхности Венеры стало возможным лишь в последнее время с развитием радиолокации и ракетно-космической техники. Наблюдения за поверхностью Венеры проводились, начиная с 1967 года. Оказалось, что верхняя граница облачного слоя лежит на высоте около 65 км от поверхности планеты. По мере приближения к поверхности температура возрастает от – 40⁰Сдо + 500⁰С. Такая высокая температура является следствием парникового эффекта. Из-за этого же эффекта суточные и годичные колебания температуры на поверхности Венеры практически отсутствуют. Один оборот вокруг своей оси планета совершает за 240 земных суток, но вращается в направлении, противоположном вращению Земли и других планет. Большую часть рельефа Венеры занимают холмистые равнины. Среди них возвышаются обширные плоскогорья, превышающие по размерам Тибет. Горные массивы, расположенные на возвышенностях, поднимаются на высоту 7-8 км. А самая высокая гора Максвелл вулканического происхождения – на 12 км. На поверхности обнаружено немало крупных кратеров диаметром до 150 км. Интересно, что кратеров диаметром менее 6 км не встречается.

Рис. 11/2. Вид Венеры из космоса.

Рис.11/3. Изображение горы Максвелл,

сделанное с помощью

компьютерной обработки фотоснимка.

Интерес к Марсу в значительной степени всегда был связан с надеждой обнаружить на этой планете жизнь, вплоть до разумных обитателей.

3. Марс — четвертая по удалённости от Солнца (после Меркурия, Венеры и Земли) и седьмая по размерам (превосходит по массе и диаметру только Меркурий) планета Солнечной системы. Масса Марса составляет 10,7 % массы Земли, а средний линейный диаметр — 0,53 диаметра Земли.

Рельеф Марса обладает многими уникальными чертами. Марсианский потухший вулкан гора Олимп — самая высокая известная гора на планетах Солнечной системы, имеет высоту 27 км, а долины Маринер — самый крупный известный каньон на планетах, имеет длину около 4000 км, ширину до 200 км, а глубина достигает 5 км.Считается, что деятельность вулканов, сосредоточенных в двух районах поверхности Марса, прекратилась не более, чем несколько сотен миллионов лет назад, после того, как толщина марсианской коры значительно увеличилась.

Красноватая окраска поверхности Марса, хорошо наблюдаемая и с Земли, обусловлена присутствием в марсианских породах оксидов железа в виде хорошо известного на Земле минерала лимонит.

Рис.11/4. Поверхность Марса.

Марс имеет период вращения и смену времен года, аналогичные земным, но его климат значительно холоднее. Средняя температура на поверхности Марса – 60⁰С, и крайне редко бывает положительной. На полюсах температура падает до – 150⁰С, при этом замерзает не только вода, следы которой обнаружены на Марсе, но и углекислый газ, превращаясь в «сухой лед». Полярные шапки Марса состоят из нескольких слоев. Основным является нижний слой, состоящий из обычного водяного льда, смешанного с пылью. Этот слой существует постоянно, и не исчезает даже в разгар марсианского лета. Верхний слой, толщиной не более 1 м, состоящий из замерзшего углекислого газа, с повышением температуры практически полностью испаряется. Перепад давления создает условия для сильных ветров, скорость которых может достигать 70 км/ч, и возникновения пылевых бурь, длительность которых иногда составляет 50 – 100 суток.

Южное и северное полушария планеты разительно отличаются по рельефу: более древние возвышенные материки располагаются в южном полушарии, а более молодые равнины – в северном, причем разница высот между ними достигает 6 км. Существует гипотеза, что Северный Полярный бассейн, занимающий 40 % поверхности планеты, является кратером; в этом случае он оказывается самым крупным известным ударным кратером в Солнечной системе.

Марс имеет два спутника, называемые Фобос и Деймос. Это небольшие по размерам небесные тела неправильной формы. Фобос, находящийся всего в 9400 км от центра планеты, интересен уникальной особенностью. Он совершает три оборота за марсианские сутки, обгоняя вращение самой планеты, поэтому восходит на той же стороне горизонта, где заходят остальные светила, и, соответственно, заходит на той стороне горизонта, где остальные светила восходят. По характеристикам пород, из которых состоят спутники Марса, и по их внешнему облику, они похожи на астероиды. Их поверхность покрыта многочисленными кратерами метеоритного происхождения, причем размеры наибольшего на Фобосе кратера сопоставимы с размерами самого спутника.

Рис.11/4. Схема орбит спутников Марса.

В 1877 году итальянский астроном Скиапарелли, наблюдая поверхность Марса во время очередного Великого противостояния, увидел в свой телескоп прямые ровные линии, соединявшие темные участки, условно называемые «моря» и «океаны». Скиапарелли назвал эти линии каналами, и решил, что это – неоспоримое свидетельство существования на Марсе цивилизации. Шумиха, поднятая вокруг марсианских каналов, продолжалась почти сто лет. Дело в том, что у Скиапарелли был 24-сантиметровый телескоп, не дающий достаточного, как говорят, разрешения. Поэтому мелкие дробные объекты поверхности сливались в его глазах в одну сплошную ровную линию.

После того, как на вооружении астрономов в XX веке появились 150-сантиметровые телескопы, загадка каналов Марса была, наконец, разрешена.

Глава 12. Планеты-гиганты и планеты-карлики.

К планетам-гигантам относятся Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их общими признаками являются следующие:

- значительно большие по сравнению с Землей размеры

- разреженное состояние планетного вещества

- высокие скорости осевого вращения

- наличие систем колец и большого числа спутников.

1. Юпитер входит в число пяти планет, которые человек может наблюдать невооруженным глазом. Это второй по яркости объект земного неба.

Масса Юпитера почти в 2,5 раза превышает суммарную массу остальных планет и в 318 раз больше массы Земли.

По современным сведениям, Юпитер состоит примерно на 74 % из водорода, на 20 % из гелия и на 6 % из более тяжелых химических элементов, находящихся в недрах планеты.С помощью космических аппаратов вокруг Юпитера было обнаружено кольцо, внешний радиус которого близок к 126 000 км. Кольцо очень тонкое, обращено к Земле ребром и поэтому с Земли не видно.

7 января 1610 года Галилей, наблюдая Юпитер в телескоп собственной конструкции, открыл четыре самых крупных его спутника, - Ио, Каллисто, Европу и Ганимед – названных впоследствии в его честь Галилеевыми лунами. Семейство спутников Юпитера имеет наибольшую в Солнечной системе численность и достигает по современным представлениям, 69 объектов разного размера.

Атмосфера Юпитера в основном состоит из молекулярного водорода и гелия, и содержит также немало простых соединений, например, воду, метан, сероводород, аммиак и фосфин.Ряд атмосферных явлений на Юпитере: штормы, молнии, полярные сияния, — имеет масштабы, на порядки превосходящие земные. Примечательным образованием в атмосфере является Большое красное пятно — гигантский шторм, известный с XVII века.

Рис.12/1. а - внутреннее строение Юпитера, б – вид Юпитера из космоса.

На рисунке 12/1,б хорошо видно знаменитое Большое Красное Пятно. В настоящее время оно имеет размеры 15×30 тыс. км (диаметр Земли ~12,7 тыс. км), а 100 лет назад наблюдатели отмечали в 2 раза большие размеры.Большое красное пятно — это уникальный долгоживущий гигантский ураган, вещество в котором вращается против часовой стрелки и совершает полный оборот за 6 земных суток.Скорость вращения Большого красного пятна составляет 360 км/ч. Его средняя температура составляет −163 °C.

Рис.12/2. Одна из моделей существования Большого Красного пятна.

2. Сатурн также можно разглядеть невооруженным глазом, он окрашен, в отличие от белого Юпитера, в светло-желтый цвет. Его масса в 95 раз и экваториальный радиус (60 370 км) в 9,5 раза превышают земные. Средняя плотность Сатурна равна 690 кг/м³.

В основном Сатурн состоит из водорода, с примесями гелия и следами воды, метана, аммиака и тяжелых элементов. Внутренняя область представляет собой относительно небольшое ядро из железа, никеля и льда, покрытое тонким слоем металлического водорода и газообразным внешним слоем.

Рис.12/3. Фотография Сатурна, сделанная межпланетной станцией «Кассини».

Сатурн обладает заметной системой колец, состоящей главным образом из частичек льда, меньшего количества тяжёлых элементов и пыли. Кольца Сатурна были открыты еще в 1657 г. голландским физиком X. Гюйгенсом. Вокруг планеты обращается 62 известных на данный момент спутника с поперечниками от 34 до 5150 км. Титан — самый крупный из них, а также второй по размерам спутник в Солнечной системе (после спутника Юпитера, Ганимеда), который превосходит по своим размерам Меркурий и обладает единственной среди спутников планет Солнечной системы плотной атмосферой.

3. Уран -седьмая по удаленности от Солнца, третья по диаметру и четвертая по массе планета Солнечной системы. Была открыта в 1781 году английским астрономом Уильямом Гершелем 13 марта 1781 года, и названа в честь греческого бога неба Урана.

Уран стал первой планетой, обнаруженной в Новое время и при помощи телескопа. Отличительной особенностью Урана является необычный характер наклона его оси вращения. Плоскость экватора Урана наклонена к плоскости его орбиты под углом 97,86° — то есть планета вращается, «лежа на боку слегка вниз головой». Если другие планеты можно сравнить с вращающимися волчками, то Уран больше похож на катящийся шар. Вокруг Урана обращаются 27 спутников, из которых самыми крупными являются Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон.

По результатам исследований Урана можно сделать вывод, что планета состоит в основном из различных льдов — водного, аммиачного и метанового. Их масса, по разным оценкам, составляет от 9,3 до 13,5 земных масс. Водород и гелий составляют лишь малую часть от общей массы (между 0,5 и 1,5 земных масс); оставшаяся доля (0,5 — 3,7 земных масс) приходится на горные породы (которые, как полагают, составляют ядро планеты).

Рис.12/4.Кольца и спутники Урана.

4. Нептун - восьмая планета Солнечной системы. Нептун также является четвертой по диаметру и третьей по массе планетой. Масса Нептуна в 17,2 раза, а диаметр экватора в 3,9 раза больше земных. Нептун стал первой планетой, открытой благодаря математическим расчетам, а не путем регулярных наблюдений.Впервые элементы орбиты Урана были вычислены в 1783 году французским астрономом Пьером-Симоном Лапласом, однако со временем были выявлены несоответствия расчетных и наблюдаемых положений планеты. В 1841 году британец Джон Кауч Адамс первым предположил, что ошибки в расчетах вызваны гравитационным воздействием ещё не открытой планеты. В 1845 году французский математик Урбен Леверье начал независимую работу по вычислению элементов орбиты Урана, а 23 сентября 1846 года Иоганн Готфрид Галле обнаружил новую планету, позже названную Нептуном, почти на том же месте, которое предсказал Леверье.

Нептун по составу близок к Урану, и обе планеты отличаются по составу от более крупных планет-гигантов — Юпитера и Сатурна. Иногда Уран и Нептун помещают в отдельную категорию «ледяных гигантов».

В атмосфере Нептуна бушуют самые сильные ветры среди планет Солнечной системы, по некоторым оценкам, их скорости могут достигать 2100 км/ч. Во время пролета «Вояджера-2» в 1989 году в южном полушарии Нептуна было обнаружено так называемое Большое темное пятно, аналогичное Большому красному пятну на Юпитере. Температура Нептуна в верхних слоях атмосферы близка к −220 °C.

У Нептуна есть слабая и фрагментированная система колец, возможно, обнаруженная еще в 1960-е годы, но достоверно подтвержденная «Вояджером-2» лишь в 1989 году.

У Нептуна на данный момент известно 14 спутников. Масса крупнейшего составляет более, чем 99,5 % от суммарной массы всех спутников Нептуна, и лишь он массивен настолько, чтобы стать сфероидальным. Это Тритон, открытый Уильямом Ласселем всего через 17 дней после открытия Нептуна. В отличие от всех остальных крупных спутников планет в Солнечной системе, Тритон обладает ретроградной орбитой, то есть, вращается в противоположную сторону. Возможно, он был захвачен гравитацией Нептуна, а не сформировался на месте, и, возможно, когда-то был карликовой планетой в поясе Койпера.

Рис.12/5.Фотография Нептуна с межпланетной станции «Вояджер».

Рис.12/6.Штормы Нептуна. Вверху – Большое Темное Пятно,

Посередине Скутер (белое треугольное облачко), внизу –

Малое Темное пятно.

Термин «карликовые планеты» появился в 2006 г. при разработке новой классификации объектов планетных систем, в том числе Солнечной системы. Причиной для этого послужила череда открытий малых планет за пределами орбиты Нептуна в начале XXI в. Эта группа небесных тел пока что остается наименее изученной ввиду их удаленности от центра нашей системы.

Одна из планет-карликов Плутон с момента своего открытия в 1930 г. и до 2006 г. считался даже девятой планетой Солнечной системы.

Карликовая планета, согласно определению XXVI Ассамблеи Международного астрономического союза в 2006 году — это небесное тело, которое:

- обращается по орбите вокруг Солнца;

- имеет достаточную массу для того, чтобы, в отличие от малых тел Солнечной системы, под действием сил гравитации поддерживать близкую к сферической форму;

- не является спутником планеты;

- не может, в отличие от планет, расчистить район своей орбиты от других объектов.

Ассамблеей Международного астрономического Союза официально признаны 5 карликовых планет: крупнейший астероид Церера и транснептуновые объекты Плутон, Эрида, Макемаке, Хаумеа; однако возможно, что по меньшей мере еще 40 из известных объектов в Солнечной системе принадлежат к этой категории.

Рис.12/7.Сравнительные размеры карликовых планет и Земли.