ЛЕКЦИЯ 1.2. ЗЕМЛЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Земля в составе солнечной системы

Строение Солнечной системы.

Земля – одна из планет в составе Солнечной системы. Что представляет из себя эта система в целом? Её составляют Солнце, а также большое число разнообразных космических тел, удерживаемых полем её тяготения. Солнце, в свою очередь, представляет собой одну из громадного множества звёзд, существующих во Вселенной. Звёзды группируются в обширные скопления – галактики. К настоящему времени астрономы насчитывают во Вселенной порядка 10 миллиардов галактик. К одному из таких звёздных скоплений – Галактики Млечного Пути – и принадлежит Солнце. Наша галактика представляет собой уплощённое спиралевидное скопление звёзд диаметром около 100 тысяч световых лет (световой год – это расстояние, которое проходит свет за 1 год, основная единица измерения расстояний в астрономии). Расположено Солнце на периферии галактики, на удалении около 2/3 радиуса от её центра. Здесь, в отличие от центральной части галактики, звёзды располагаются на большом удалении друг от друга. Вся галактика обращается вокруг своего центра, и Солнце участвует в этом движении вместе со всеми остальными объектами, составляющими Солнечную систему: планетами, их спутниками, астероидами, кометами и метеорами.

Основной компонент Солнечной системы – Солнце. Во-первых, на долю Солнца приходится 99,87% общей массы Солнечной системы. Поэтому, в соответствии с законом всемирного тяготения, именно Солнце занимает центральное место в системе, а меньшие тела (планеты, астероиды и кометы) движутся по околосолнечным орбитам. Во-вторых, процессы, протекающие на Солнце, являются основным источником энергии для всей системы в целом.

Планеты – второй по значимости компонент в Солнечной системе. Это космические тела сравнительно крупных размеров, имеющие сфероидальную форму и обращающиеся вокруг Солнца по слабо вытянутым эллиптическим орбитам. Планеты отличаются от Солнца, прежде всего малыми размерами, из чего вытекают и другие отличия. Масса планетных тел недостаточна для того, чтобы на них могли протекать реакции термоядерного синтеза, являющиеся источником энергии звёзд. Поэтому температура на планетах значительно ниже, и слагающее их вещество находится в ином состоянии. Если звёзды сложены горячим ионизированным газом (плазмой), то планеты слагаются (в разных соотношениях) более холодным твёрдым, жидким и газообразным веществом. В настоящее время известно 9 основных (так называемых «больших») планет. Это, в порядке удаления от Солнца, Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.

Астероидами называют планетные тела небольших размеров. Основная их часть обращается вокруг Солнца по близким друг к другу орбитам, расположенным между орбитами Марса и Юпитера, где формируют так называемый пояс астероидов. Но некоторые из них вращаются по эксцентричным орбитам то, сильно приближаясь к Солнцу, то, удаляясь от него. Такие орбиты пересекают орбиты других планет, и есть немало геологических свидетельств неоднократных столкновений астероидов с большими планетами и их спутниками. Астероиды относительно крупных размеров, аналогично планетам, сфероидальны. Но мелкие астероиды имеют, как установлено, неправильную форму. По-видимому, многочисленные малые тела в поясе астероидов неоднократно сталкивались между собой и раскалывались от соударений, образуя обломки неправильной формы. Результатом таких соударений должно было становиться и изменение орбит части образовавшихся осколков – так появлялись астероиды с эксцентричными орбитами.

Спутники планет отличаются и от самих планет, и от астероидов тем, что обращаются не непосредственно вокруг Солнца, а вокруг планет. В целом космические тела этого типа имеют, в сравнении с планетами, меньшие размеры. Но эта разница не является абсолютной: самые крупные из спутников по размеру превосходят самые маленькие планеты. Но каждый спутник всегда по размеру меньше той планеты, вокруг которой он обращается (опять же в соответствии с законом всемирного тяготения). При этом порядок размеров материнской планеты и её спутника сопоставим лишь в одном случае: в паре Земля – Луна. Это позволяет многим специалистам рассматривать данную пару в особом ранге – как двойную планету.

Кометы – самые загадочные образования в составе Солнечной системы. Это тела очень небольших размеров, вращающиеся вокруг Солнца по крайне эксцентричным орбитам. Некоторые кометы приближаются к Солнцу даже ближе Меркурия, после чего возвращаются далеко за орбиту Плутона. Степень эксцентричности орбиты у каждой кометы совершенно индивидуальна, как и период обращения. Те кометы, которые были исследованы, представляют собой скопления замёрзших газов, в которые включены частицы пыли. Это – крайне неустойчивые образования. При их приближении к Солнцу газы начинают испаряться (это выражается в появлении у кометы характерного «хвоста»), и потому с каждым оборотом комета часть своей массы теряет. Расчёты показывают, что время «жизни» кометы на типичной для нее эксцентричной орбите может составлять до нескольких миллионов, максимум – первых десятков миллионов лет, что несопоставимо с возрастом Солнечной системы. Следовательно, они в ней должны откуда-то появляться (иначе уже давно ни одной кометы бы не осталось). Откуда же? Согласно одной из гипотез, выдвинутой голландским астрономом Я. Ортом, источник комет – целый пояс таких мелких газово-пылевых глыб, расположенный на дальней периферии Солнечной системы. В результате гравитационных воздействий (например, влияния ближайших к Солнцу других звёзд) отдельные глыбы могут сходить со своих стабильных орбит и переходить на нестабильные, на которых мы их и наблюдаем. Другое возможное объяснение в том, что кометы – это глыбы, захватываемые Солнцем из межзвёздного пространства в процессе его движения вокруг центра галактики. Не исключено, что могут существовать кометы различного происхождения. В частности, расчёты показывают, что при взрывных вулканических извержениях большой мощности на малых космических телах (например, спутниках планет-гигантов, где действительно обнаружены проявления активной вулканической деятельности) часть продуктов извержения может быть выброшена за пределы поля тяготения материнского тела и выйти на резко эксцентричную околосолнечную орбиту (гипотеза «эруптивных» комет, от английского eruption – взрыв). Пока в современной Солнечной системе такие кометы не обнаружены. Но есть геологические признаки того, что одна из крупных космогенных катастроф в истории Земли, произошедшая около 10000 лет назад, была вызвана столкновением с ней кометы такого типа.

Поскольку Земля принадлежит к числу планет, рассмотрим эту группу тел в составе Солнечной системы несколько подробнее. Сравнительная характеристика размеров планет приведена в таблице 1:

Таблица 1

Планета	Диаметр в км	Диаметр относительно диаметра Земли
Меркурий	4878	0,38
Венера	12102	0,95
Земля	12756	1,00
Марс	6786	0,53
Юпитер	142984	11,21
Сатурн	120536	9,45
Уран	51118	4,01
Нептун	49528	3,88
Плутон	2300	0,18

Для сравнения: Солнце имеет диаметр 1391980 км (109,12 диаметра Земли). Его объём многократно превосходит суммарный объём всех других тел Солнечной системы. Крупнейший астероид – Церера – имеет размер 960 км (0,07 диаметра Земли).

Плутон, по данным новейших исследований, оказался достаточно мелким телом (ещё 30 лет назад предполагали, что его размеры близки к размерам Земли, диаметр около 6000 км). Фактически по размерам он занимает промежуточное положение между астероидами и большими планетам. Высказывалось предположение, что Плутон – это, строго говоря, не самостоятельная планета, а «потерянный» спутник Нептуна. Есть также гипотеза о существовании за орбитой Нептуна целого пояса малых планетных тел, аналогичного поясу астероидов. Плутон, в таком случае – лишь одно из множества таких тел. В последние годы появляются сведения об обнаружении за орбитой Нептуна других планетных тел, подобных Плутону. Но эти данные ещё требуют подтверждения.

Сведения о массах планетных тел также удобно рассмотреть в их сравнении с таковыми для Земли:

Солнце – 330 000 масс Земли

Меркурий – 0,06

Венера – 0,81

Марс – 0,11

Юпитер – 318

Сатурн – 95

Уран – 14,5

Нептун – 17

Плутон – 0,002

Церера – 0,0002

Астероиды суммарно – 0,0015

Все спутники планет – 0,125

На Солнце, как уже было сказано, приходится 99,87% общей массы Солнечной системы. Из остатка в 0,13% основная часть приходится на самую крупную планету – Юпитер (0,1%). Но, как можно видеть, даже эта самая большая из планет по массе с Солнцем совершенно не сопоставима.

Распределение плотностей для больших планет:

Меркурий – 5,42 г/см³

Венера – 5,25

Земля – 5,52

Луна – 3,34

Марс – 3,94

Юпитер – 1,31

Сатурн – 0,69

Уран – 1,19

Нептун – 1,66

(точных данных по Плутону пока нет)

В целом наблюдается определённая тенденция уменьшения плотностей планет в направлении от внутренних (близких к Солнцу) к внешним. Из ближних к Солнцу планет явно «выбивается» из этого ряда Земля. Но если усреднить её плотность с плотностью Луны (их, напомним, можно рассматривать вместе как двойную планету), закономерность будет выдерживаться. Самая низкая плотность – у Сатурна (по образному выражению одного из астрономов, эту планету невозможно было бы утопить даже в керосине). А далее (у Урана и в ещё большей мере у Нептуна) она снова повышается.

Сравнение основных параметров – размеров, массы и плотностей – даёт основания разделять большие планеты на две группы. Первую образуют относительно близкие к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля с Луной и Марс. Они характеризуются сравнительно малыми размерами и относительно высокой плотностью. Их называют планетами земной группы. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун получили название планет-гигантов. Их отличают большие размеры и очень низкая плотность. Большую часть объёма этих планет составляют газы – на Уране и Нептуне они преимущественно замёрзшие. С последним фактом, видимо, связана и обратная тенденция к повышению плотностей у планет, наиболее удалённых от Солнца.

Представления о происхождении Солнечной системы.

1. Гипотезы Канта и Лапласа. Или «небулярные гипотезы» (от латинского nebula – туманность). Обе выдвинуты практически одновременно, на рубеже XVIII и XIX веков, немецким философом и естествоиспытателем Иммануилом Кантом и французским астрономом Пьером Лапласом. Основная суть – происхождение Солнца и планет из общей гомогенной массы первичного вещества в едином процессе. Оба автора опирались в построении модели развития Солнечной системы на известные в то время законы физики, в первую очередь – закон всемирного тяготения. Именно силы тяготения должны были обеспечить группировку огромного числа рассеянных пылевых частиц и газовых молекул в ограниченное количество космических тел. Нередко эти две гипотезы рассматривают как одну (гипотезу Канта – Лапласа). Но на самом деле это две самостоятельные гипотезы, которые, при всём их сходстве, различаются некоторыми существенными деталями. Главное отличие в том, что по И. Канту Солнечная система сформировалась из скопления холодного газа и пылевых частиц, изначально неподвижных. А по П. Лапласу – из раскаленного газового облака, которое вращалось.

Основная трудность, которую не смогли преодолеть ни И. Кант, ни П. Лаплас, ни их сторонники – несоответствие между моментами вращения Солнца и планет. По всем расчётам выходило, что если все элементы Солнечной системы возникли из первично единой «туманности», то и моменты их вращения должны были бы быть одинаковыми. Поэтому многие авторы в попытке устранить данное несоответствие, выдвигали другие гипотезы. Эти иные гипотезы, при всём их разнообразии, можно объединить в одну группу.

2. Гипотезы образования планетной системы как случайного события:

- гипотеза Бюффона (планеты образовались в результате выброса солнечного вещества от падения на Солнце кометы);

- гипотезы Чемберлена, Мултона, Джинса – различные вариации на тему образования планет в результате выброса солнечного вещества в результате взаимодействия сблизившихся или столкнувшихся звёзд;

- гипотеза Шмидта – образование планет в результате захвата Солнцем изначально чужеродной ему газово-пылевой туманности.

Общее для всех этих гипотез – представление об образовании Солнечной системы как о случайном событии. Большинство из них опровергнуты как несостоятельные. Кометы слишком малы, чтобы их взаимодействие с Солнцем могло привести к столь значительным последствиям. Воздействие на Солнце другой звезды может оказать влияние, но, по всем расчётам, формирование в результате Солнечной системы в известной нам форме невозможно. Хотя отрыв части солнечного вещества при сближении с другой звездой достаточно вероятен, формирование из него планетных тел, находящихся на устойчивых орбитах, возможно в очень узком диапазоне условий, и при том все орбиты будут находиться лишь внутри современной орбиты Меркурия.

Аргументов, безусловно опровергающих гипотезу Шмидта, нет. Но многих учёных в ней не удовлетворяет уже то, что формирование у звёзд планетных систем не рассматривается как закономерный процесс. И, следовательно, наличие у звезды планетной системы должно рассматриваться как редчайшее исключение. Между тем, новейшие астрономические данные говорят о наличии планет у ряда ближайших к нам звёзд, и нет оснований полагать, что и в более отдалённых частях Вселенной картина будет принципиально иной. К тому же, данные космохимии свидетельствуют о том, что, если взять только так называемую каменно-металлическую составляющую вещества Солнца и планет, то соотношение химических элементов в ней оказывается очень сходным. А это тоже заставляет считать более вероятным изначальное родство между Солнцем и окружающими его планетными телами.

3. Возрождение небулярной гипотезы произошло в середине XX в. и является заслугой шведского астронома Ханнеса Альвена. Он нашёл новый путь к разрешению проблемы несоответствия между угловыми скоростями вращения Солнца и планет. Статья Х. Альвена, опубликованная в 1942 г, поначалу осталась не замеченной (общественности, в том числе и научной, было не до этого). Но с 1950-х гг его идеи постепенно завоёвывают признание. В результате все современные модели происхождения Солнечной системы представляют собой развитие этих идей.

Х. Альвен доказал, что при взаимодействии Солнца с окружающим облаком ионизированного газа должны происходить не только гравитационные, но и магнитные взаимодействия, в результате которых вращение Солнца будет замедляться, а газового облака – ускоряться. Последнего ни И. Кант, ни П. Лаплас учесть в принципе ещё не могли, так как изучение физики электромагнитных явлений в их времена находилось в самом зачаточном состоянии. При этом расчёты показывают, что формирование планетных тел только из газов невозможно. Но достаточно наличия небольшого количества пылевых частиц, чтобы «процесс пошёл». Если считать, что исходная газово-пылевая туманность была единой по составу, можно рассчитать соотношение газовой и пылевой фракций по современному химическому составу Солнца. На газы придётся 98%. Остальное – пылевые частицы трёх видов: льдинки (замерзшие газы – вода, аммиак, метан и др.), минеральные частицы на кремнекислородной (силикатной) основе, металлические частицы.

Следующая стадия процесса – аккреция (слипание) этих частиц. Буквально – «приращение» (термин применяется и к другим процессам увеличения какого-либо объекта за счёт присоединения к нему новых составных частей). В настоящее время предложено несколько различных вариантов реконструкции хода этого процесса, и именно в этой части современные модели разных исследователей в наибольшей мере расходятся. Модели аккреции разработаны ещё в рамках гипотез «случайного» образования Солнечной системы, так что эти отвергнутые идеи всё же внесли свой весомый вклад в создание современных представлений о происхождении планетных систем.