Помоги проекту - поделись книгой:
Очень важно понимать, что столь мощная вспышка не может произойти «на пустом месте». Потребуется время для роста активной области, а кроме того, наибольшая опасность связана с мощным корональным выбросом, а он может пройти мимо Земли. Поэтому, несмотря на то что мощные вспышки представляют вполне реальную опасность, они, по всей видимости, являются наибольшей угрозой для технических устройств, происходят относительно редко и к ним можно успеть подготовиться.
1.8. Эволюция Солнца и жизнь на Земле
Солнце – очень стабильный саморегулирующийся объект. Гравитация уравновешена давлением, связанным с выделением энергии в недрах. При увеличении энерговыделения Солнце немного расширилось бы, что привело бы к падению плотности и температуры в недрах, а тем самым и к падению энерговыделения. Если же, наоборот, энерговыделение уменьшилось, то Солнце бы немного сжалось, увеличив в центральных частях температуру и плотность, стимулируя тем самым термоядерный синтез.
Энергия передается из недр наружу очень медленно, весь процесс занимает многие десятки тысяч лет. Поэтому внезапное временное исчезновение источника энергии в центре сказалось бы на внешних слоях не сразу. Это добавляет стабильности на коротких временных масштабах.
Более того, даже если бы вдруг термоядерные реакции полностью прекратились, резких изменений не произошло бы даже за миллион лет. Это связано с тем, что Солнце обладает дополнительным источником энергии: просто сжимаясь, оно может поддерживать светимость на текущем уровне на протяжении примерно 30 млн лет (это так называемое время Кельвина – Гельмгольца). Разумеется, Солнце не оставалось бы весь этот период абсолютно неизменным: оно становилось бы меньше, изменялись бы его температура и светимость. Однако такая простая оценка показывает, что серьезные изменения нашей звезды возможны лишь на очень большом временнóм масштабе.
Солнце – очень стабильный источник излучения как на коротких, так и на длительных временных масштабах.
Иногда это характерное время называют ядерным, оно соответствует существенному исчерпанию водорода в ядре Солнца. Полное время жизни Солнца составляет около 12 млрд лет, и более 80 % этого времени оно проводит на Главной последовательности, «пережигая» водород в гелий. Это стабильное состояние, однако небольшие изменения происходят с Солнцем и в этот период. Поскольку условия для существования жизни на Земле заданы достаточно жестко, даже небольшие изменения параметров Солнца на масштабе миллиард лет могут иметь серьезные последствия.
Самым главным вопросом в контексте долговременной эволюции и появления жизни на Земле является так называемый парадокс тусклого молодого Солнца. В 1950-е гг. стало окончательно ясно, что светимость Солнца на стадии Главной последовательности возрастает. Ключевые работы на эту тему опубликовали в 1958 г. Фред Хойл (Fred Hoyle) и Мартин Шварцшильд (Martin Schwarzschild). Сейчас мы знаем, что к моменту окончательного формирования Земли солнечная светимость составляла около 70 % от современной. В 1961 г. Альфред Рингвуд (Alfred Ringwood) отметил, что этот факт должен существенно влиять на ранний климат Земли. В 1972 г. Карл Саган (Carl Sagan) и Джордж Мулен (George Mullen) сделали эту проблему широко известной. В 1975 г. с легкой руки Роджера Ульриха (Roger Ulrich) появился сам термин «парадокс тусклого молодого Солнца» (faint young Sun paradox).
4,5 млрд лет назад светимость Солнца составляла 70 % от современной.
Проблема заключается в том, что у нас есть надежные данные о существовании жидкой воды на поверхности Земли миллиарды лет назад. Однако добиться этого при столь низкой светимости Солнца непросто. Обсуждались самые разные гипотезы, но на сегодняшний день однозначного решения нет. Большинство исследователей склоняется к тому, что причиной теплого климата 3–4 млрд лет назад был парниковый эффект. Наиболее подходящими парниковыми газами считаются метан, углекислый газ и аммиак.
Парадокс тусклого молодого Солнца: как на Земле могла существовать жидкая вода при низком потоке солнечной энергии?
Другим важным аспектом, связанным со свойствами молодого Солнца, является его активность. Несмотря на меньшую полную светимость, наша звезда вращалась быстрее и поэтому была гораздо более активной. Это приводило к более мощному потоку ультрафиолета и рентгеновских лучей, а также к более интенсивному солнечному ветру. Все это оказывало заметное влияние на атмосферы планет. Возможно, именно эта активность молодого Солнца привела к тому, что в атмосфере Венеры почти не осталось воды, а Марс просто потерял большую часть атмосферы. Земная атмосфера в существенной степени защищена от солнечного ветра магнитосферой. Однако мощный поток ультрафиолета все равно приводил к разрушению молекул в атмосфере и изменению ее состава (если разрушается водородосодержащая молекула – вода, метан и др., водород может затем легко покидать атмосферу, улетучиваясь в космос).
Кроме постепенных изменений (в первую очередь роста светимости), происходящих на очень больших временных масштабах – в масштабе от сотен до тысяч лет, – в поведении Солнца имеются и более слабые изменения. Они также могут оказывать влияние на земную биосферу, да и просто представляют научный интерес. Для их изучения нужны особые методы, поскольку детальные данные наблюдений ограничены всего лишь несколькими столетиями, а теоретические модели не позволяют пока достоверно просчитать такие вариации.
Молодое Солнце было более активным.
Так, например, используя дендрохронологические данные (вариации свойств годичных колец древесины), Илья Усоскин и его коллеги в 2014 г. показали, что за последние 3000 лет на Солнце имело место несколько заметных минимумов активности. Кроме известных минимума Шпёрера (XIV–XV вв.) и минимума Маундера (XVI–XVII вв.) это два заметных минимума в VIII и IV вв. до н. э. и три менее выраженных минимума в VII, XI и XIV вв. На такие затяжные минимумы, когда на Солнце почти нет пятен, приходится до 16 % времени.
Используя данные изотопного анализа, удается восстановить солнечную активность на масштабе около 10 000 лет.
Этот результат удалось получить благодаря анализу содержания углерода-14 в остатках растений. Происхождение этого изотопа связано с галактическими космическими лучами. Высокая солнечная активность мешает частицам лучей проникать внутрь гелиосферы, а в годы затяжных минимумов поток галактических космических лучей, наоборот, возрастает, при этом образуется больше изотопа углерод-14. Такой метод хорошо работает на масштабах сотен и тысяч лет.
Уровень солнечной активности сказывается на земном климате.
Можно использовать и данные по другим изотопам, таким как бериллий-10 (он также производится космическими лучами) в многовековых ледниковых отложениях. Та же группа исследователей в 2016 г. смогла оценить уровень солнечной активности на протяжении почти 10 000 лет, используя одновременно данные и по бериллию, и по углероду. На этом интервале кроме минимумов (их обнаружено 20, они занимают 17 % всего времени) выделяются и длительные периоды повышенной солнечной активности. Их выявлено 14, однако в состоянии больших максимумов Солнце проводит лишь 8 % времени. Например, их было относительно много в VII тыс. до н. э. и на рубеже III–IV тыс. до н. э. Возможно, и сейчас Солнце находится в стадии большого максимума (по крайней мере, вторая половина XX в. была периодом высокой активности). Кроме того, исследователи обнаружили периодичность в изменении активности Солнца с периодом около 2400 лет, однако этот результат нуждается в уточнении и подтверждении. Как бы то ни было, эти выводы показывают, что изотопные данные принципиально возможно использовать для изучения поведения Солнца на масштабах тысяч лет.
Глобальные необратимые климатические изменения произойдут через миллиард лет, когда светимость Солнца возрастет на 10 %.
Различные данные указывают на то, что уровень солнечной активности сказывается на земном климате. С теоретической точки зрения очень многое в солнечно-земных связях остается непонятным, однако с феноменологической точки зрения корреляция климатических изменений с уровнем солнечной активности на масштабе десятилетий присутствует. Механизмы этой связи продолжают обсуждаться. В частности, считается, что большую роль может играть сильное изменение потока ультрафиолетового излучения во время разных периодов активности. Ясно, что механизмов влияния может быть много, поскольку сама система земного климата очень сложна. Тем не менее возможности анализа свойств тропосферы, воздушных течений и других параметров позволяют говорить о значимых корреляциях с различными показателями активности Солнца. Но и здесь есть проблемы. Например, европейские данные свидетельствуют о том, что среднегодичные температуры в период маундеровского минимума были ниже. Однако данные по климату в других регионах Земли не подтверждают падение температуры. Возможно, влияние Солнца по-разному сказывается в разных частях нашей планеты.
Что же будет с Солнцем и климатом на Земле в будущем? Еще задолго до того, как Солнце превратится в красный гигант, температура на Земле повысится до уровня, при котором жизнь станет невозможна. Причиной этого будет продолжающийся рост светимости Солнца (он объясняется и непрерывным ростом радиуса, и ростом температуры, который закончится через 2,5 млрд лет). Это произойдет примерно через миллиард лет, когда светимость Солнца вырастет примерно на 10 %. Океаны начнут активно испаряться, вызвав сильный парниковый эффект, который приведет к еще более активному испарению (видимо, подобные явления в прошлом произошли на Венере, изменив ее климат). Почва прогреется на большую глубину, так что даже бактерии, живущие глубоко под землей, погибнут. В итоге, когда Солнце начнет уходить с Главной последовательности (в возрасте 10 млрд лет, т. е. примерно через 5,5 млрд лет), а его светимость будет на 84 % выше современной, Земля уже более 4 млрд лет будет безжизненной. Позднее Земля может быть поглощена красным гигантом. Кстати, когда Солнце превратится в красный гигант, формально в зону обитаемости будут попадать объекты пояса Койпера.
Глава 2
Солнечная система
Солнечная система возникла чуть более 4,5 млрд лет назад. В ее состав (помимо собственно Солнца) входят 8 планет, подразделяющихся на две группы: четыре планеты-гиганта (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), находящиеся во внешней части системы, и четыре планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) – во внутренней. У большинства планет есть спутники, некоторые весьма значительных размеров (до нескольких тысяч километров). В настоящее время также выделяют пять карликовых планет (Церера, Плутон, Эрида, Хаумеа, Макемаке). Они оказались недостаточно массивны, чтобы очистить свои орбиты от более мелких объектов. Кроме того, в Солнечной системе присутствует множество тел размерами менее нескольких сотен километров, которые в первом приближении можно разделить на кометы, астероиды и совсем небольшие метеорные тела. И, наконец, еще одним важным компонентом Солнечной системы является межпланетная среда.
После этапа формирования, который занял более 10 млн лет, Солнечная система находилась в стадии медленной эволюции, на протяжении которой орбиты планет плавно менялись. Примерно через 600 млн лет этот период завершился бурным эпизодом неустойчивости орбит. После этого орбиты в основном приняли современный вид, в котором они, скорее всего, будут находиться еще около 6 млрд лет. Затем Солнце, исчерпав запасы водорода в ядре, начнет превращаться в красного гиганта, что снова приведет к катастрофическим изменениям во всей Солнечной системе.
2.1. Образование Солнечной системы
Возраст Солнечной системы составляет 4,567 млрд лет. Это очень точное значение получено в первую очередь на основе анализа содержания различных изотопов в образцах метеоритов. Неопределенность возраста не превышает пару миллионов лет.
Возраст Солнечной системы немного больше 4,5 млрд лет.
После стадии сжатия протозвездного облака и появления Солнца с протопланетным диском вокруг него в истории Солнечной системы можно выделить несколько важных этапов. Первый – это собственно образование планет. За несколько миллионов лет формируются планеты-гиганты. За несколько десятков миллионов лет – планеты земной группы. Кроме того, за орбитой самой далекой планеты-гиганта остается множество небольших тел – планетезималей. Затем, согласно современным теориям, следует примерно 600 млн лет «застоя», когда система меняется крайне мало. Однако потом происходит относительно быстрая ее перестройка. По ее окончании Солнечная система принимает практически современный вид, в котором и существует с тех пор на протяжении почти 4 млрд лет в почти неизменном состоянии.
Можно выделить три основных источника информации об истории формирования Солнечной системы и о процессах, происходивших при этом. Во-первых, данные по составу метеоритов и комет. Во-вторых, наблюдения многочисленных систем других звезд, находящихся на разных стадиях формирования. Наконец, современная структура нашей системы – в первую очередь орбиты малых тел (кометы, объекты пояса Койпера и т. п.) хранит на себе отпечатки ее бурной молодости.
Информацию о далеком прошлом Солнечной системы получают, изучая состав метеоритов, а также анализируя орбиты небольших тел.
Метеориты делятся на три основных типа. Ахондриты (вместе с хондритами их еще называют каменными метеоритами) и железные метеориты представляют собой осколки крупных астероидов. Таким образом, их вещество уже прошло процесс дифференциации в массивном теле (более тяжелые вещества, такие как железо, под действием гравитации опускались ближе к центру). Третий тип метеоритов – хондриты – представляет собой вещество, не попадавшее в массивные тела, где под действием гравитации могла происходить дифференциация компонентов и их нагрев, или же это осколки внешних частей планетезималей, которые не подвергались дифференциации.
Возраст Солнечной системы устанавливают, анализируя содержание различных изотопов в метеоритах.
Ключевая датировка «момента ноль» в Солнечной системе производится по включениям кальция и алюминия в углистых хондритах. Эти небольшие (от долей миллиметра до сантиметров) образования сформировались в горячей среде в молодом протопланетном диске. Изотопный анализ говорит о том, что это самые древние структуры из всех обнаруженных в Солнечной системе. Короткоживущий изотоп 26Al позволяет провести датировку с точностью в несколько миллионов лет. Использование нескольких изотопов разных элементов с разным временем жизни позволяет еще уточнить эту оценку. Согласно метеоритным данным, первое поколение планетезималей сформировалось менее чем за миллион лет.
В элементном составе метеоритов наблюдаются некоторые аномалии, требующие объяснения. Речь идет о присутствии короткоживущих изотопов на момент формирования первых планетезималей. К этому времени протосолнечная туманность уже миллионы лет как «отцепилась» от молекулярного облака, в котором возникла. Поэтому короткоживущие изотопы (например, 26Al и 60Fe) должны были стать очень редкими. Производить их в нужном количестве внутри протосолнечной туманности или протопланетного диска невозможно. Значит, необходим некоторый внешний источник изотопов с небольшим временем жизни. Обсуждаются две основные гипотезы.
Солнце образовалось в звездном скоплении, которое влияло на протопланетный диск и параметры орбит формирующихся объектов.
Солнце, как и подавляющее большинство других звезд, должно было рождаться в звездном скоплении. Значит, источником изотопов могла быть другая, относительно близкая, звезда. Это мог быть либо взрыв сверхновой, либо же звезда с сильным ветром на поздней стадии эволюции: например, на стадии асимптотической ветви гигантов – позднем этапе эволюции звезд типа Солнца, на протяжении которого в звезде существует два слоевых источника, в которых идут термоядерные реакции: водородный и гелиевый (см. раздел 4.6 «Смена термоядерных реакций»). На настоящий момент у нас нет достаточного количества данных, чтобы отдать решающее предпочтение той или иной гипотезе.
Формирование планет-гигантов занимает до нескольких миллионов лет, а планет земной группы – до нескольких десятков миллионов.
Кроме обогащения протосолнечной туманности элементами звездное скопление могло оказывать еще два основных воздействия. Ультрафиолетовое излучение звезд скопления могло приводить к активному испарению вещества туманности. А близкие пролеты звезд – влиять на орбиты тел Солнечной системы. Эффективность и вероятность воздействия зависят от количества звезд в окрестности формирующегося Солнца. С одной стороны, взрыв сверхновой должен быть достаточно близким (0,2 парсека), а пролет проэволюционировавшей звезды – достаточно вероятным. С другой стороны, слишком частые и близкие пролеты звезд могут катастрофически влиять на внешние части формирующейся Солнечной системы, а ультрафиолетовое излучение от очень близкой сверхновой может разрушить протопланетный диск. Итоговые оценки показывают, что Солнце должно было родиться в скоплении из нескольких тысяч звезд, чтобы влияние было не слишком сильным, но достаточным для объяснения присутствия короткоживущих изотопов в нужном количестве.
Спустя примерно 600 млн лет после образования Солнечная система претерпела существенную перестройку орбит планет.
Частицы пыли в диске растут за счет столкновений и слипаний до размеров небольших камней (около сантиметра). В частности, это следует и из наблюдений протопланетных дисков у других звезд. Однако, как происходит дальнейший рост, мы точно не знаем. Рост частиц от размеров порядка сантиметра до километра не может проходить просто за счет столкновений. Во-первых, при ударе частицы разрушаются, а их гравитации еще недостаточно, чтобы удержать осколки от разлета. Во-вторых, торможение камней размером от сантиметров до метров в газе диска приводит к их слишком быстрому радиальному дрейфу в сторону Солнца. Рассматривают разные модели быстрого формирования достаточно массивных планетезималей, но полной ясности в этом вопросе пока нет.
Далее формирование планет-гигантов и планет земной группы протекает немного по-разному. У гигантов, состоящих в основном из газа, мало времени, так как газовый диск довольно быстро рассеивается. Поэтому вначале их твердые ядра должны быстро расти за счет столкновения планетезималей и аккреции мелких твердых тел. Дальше, если ядро набрало массу 10–20 земных, то оно успевает захватить достаточно газа для возникновения планеты-гиганта. Этот процесс занимает около миллиона лет. Небольшие железно-каменные планеты имеют больше времени для роста, поскольку им не нужен газ. Они набирают массу в первую очередь за счет столкновения планетезималей. Самая активная фаза этого периода занимает около 10 млн лет, хотя в дальнейшем более редкие столкновения могут происходить еще десятки миллионов лет. Столкновение Земли с крупным телом, произошедшее примерно спустя 60–100 млн лет после начала образования планет и приведшее к формированию Луны, можно считать одним из поздних эпизодов этого процесса. С тех пор Земля не испытывала столь мощных катаклизмов.
Важную роль в описании формирования планетной системы играет так называемая
После эпохи поздней тяжелой бомбардировки Солнечная система практически не меняла свой облик.
Основой современного описания ранней эволюции Солнечной системы является так называемая Ниццкая модель (от города Ницца, где работали основные авторы этого сценария). В ней четыре планеты-гиганта формируются на расстояниях 5–17 a.е. от Солнца. Затем из-за взаимодействия с небольшими телами три внешние планеты (Нептун, Уран и Сатурн) медленно мигрируют наружу, а Юпитер – внутрь. В тот момент, когда орбитальные периоды Юпитера и Сатурна оказываются в отношении 1 к 2, система становится неустойчивой и происходит ее быстрая перестройка. Это случилось примерно спустя 600 млн лет после формирования Солнечной системы.
Примерно за 100 млн лет планеты-гиганты занимают свое современное положение. В ходе этой быстрой миграции Нептун вторгается в рой ледяных планетезималей, формируя современный вид этой области. Около 99 % тел оказываются выброшенными со своих орбит. Многие из них попадают во внешние части Солнечной системы, другие направляются во внутренние области. Происходит так называемая поздняя тяжелая бомбардировка. Попадая во внутренние части Солнечной системы, планетезимали могут сталкиваться с уже сформировавшимися планетами и их спутниками. Анализ лунной поверхности, а также многих других тел в Солнечной системе показал, что множество крупных кратеров имеют примерно одинаковый возраст – 3,8–4 млрд лет, что соответствует периоду поздней тяжелой бомбардировки. На этой же стадии Юпитер и Нептун собирают «троянские» астероиды в окрестности точек Лагранжа, а многие планеты (например, Уран и Сатурн) захватывают свои спутники.
После этого Солнечная система становится относительно стабильной на миллиарды лет. Численные расчеты показывают, что без мощного внешнего влияния орбиты планет будут оставаться достаточно стабильными вплоть до ухода Солнца с Главной последовательности.
2.2. Планеты и их спутники
В Солнечной системе насчитывается восемь больших планет. Половина из них относится к планетам земной группы. Они имеют железно-каменный состав и располагаются на расстояниях от 0,4 (Меркурий) до 1,5 a.е. (Марс) от Солнца. Вторая половина – это планеты-гиганты. Их ядра состоят из более тяжелых элементов, но основная масса находится в плотных оболочках, где главными составляющими являются водород и гелий (у Юпитера и Сатурна) и углерод, кислород и азот (у Урана и Нептуна). Они находятся на расстояниях от 5,2 (Юпитер) до 30 a.е. (Нептун). Иногда Уран и Нептун выделяют в отдельный подкласс ледяных гигантов. У всех планет, кроме Меркурия и Венеры, есть спутники, а у планет-гигантов также присутствуют системы колец.
Астрономическая единица (a.е.) – это расстояние от Земли до Солнца, примерно равное 150 млн км.
Пять планет – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн – видны невооруженным глазом и известны с древности. Уран был открыт Уильямом Гершелем (William Herschel) в результате обзоров неба в 1781 г. Нептун был обнаружен в 1846 г. Иоганном Галле (Johann Gottfried Galle) на основе расчетов Урбена Леверье (Urbain Jean Joseph Le Verrier) (расчеты положения Нептуна на основании отклонений в движении Урана также проводил Джон Адамс (John Couch Adams)). В 1930 г. Клайдом Томбо (Clyde William Tombaugh) в результате специальных обзорных поисков был открыт Плутон, ставший девятой планетой. Однако в 2006 г. Плутон потерял статус планеты из-за обнаружения крупных транснептуновых объектов, в основном входящих в пояс Койпера.
Все планеты в той или иной степени были исследованы с помощью космических аппаратов. Наиболее хорошо изученными являются Марс, Венера, Юпитер и Сатурн.
Планеты Солнечной системы делятся на гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс).
Планеты формировались из вещества той же протосолнечной туманности, из которой сформировалась наша звезда. Самым распространенным элементом в ней был водород, затем гелий и только потом тяжелые элементы. Это объясняет, почему самые массивные газовые планеты в основном состоят именно из водорода и гелия. Несмотря на хорошее понимание среднего состава планет, многие детали внутреннего строения остаются неясными, поскольку исследования недр затруднены даже для Земли. Кроме того, современный уровень знаний не позволяет с надежностью говорить о поведении вещества в недрах планет из-за сочетания высокой плотности и давления.
Содержание элементов в протосолнечной туманности (отражающее вообще содержание элементов во Вселенной) налагает ограничения на возможный состав планет. Небольшие твердые планеты (или ядра более крупных тел) могут состоять из железа или «камней», которые в основном включают в себя магний, кремний и кислород. Ледяные тела состоят в основном из углерода, кислорода и азота, которые вместе с обильным водородом образуют такие соединения, как H2O, CH4, NH3, CO2 и др.
В целом состав планет определяется распространенностью элементов во Вселенной.
Внутри планет сегрегирующее действие гравитации заставляет тяжелые элементы постепенно опускаться в центральную часть. Поэтому планеты земного типа могут иметь железные ядра, а гиганты, подобные Урану и Нептуну, – богатые водородом и гелием внешние оболочки, покрывающие слои льдов (существующих в виде очень плотного газа или жидкости, а не твердого вещества), под которыми находится ядро из более тяжелых элементов.
Несмотря на многие сходные черты, планеты земной группы существенно отличаются друг от друга. Это касается не только их атмосфер (отсутствие таковой у Меркурия, разреженная атмосфера Марса, достаточно плотная у Земли и очень плотная у Венеры), но и их недр, что в первую очередь отражает различия в их массах, поскольку состав планет примерно одинаков (хотя, например, Меркурий содержит немного больше железа относительно кремния, чем другие три планеты, а Марс может иметь несколько меньше железа). Земля, будучи самой массивной, обладает более сложной внутренней динамикой, что выражается в активном вулканизме (сохранившемся и в наши дни, в отличие от Марса и Венеры) и движении литосферных плит (которое отсутствует у других планет земной группы). Есть предположения, что литосферная динамика является необходимым условием для появления жизни, подобной земной.
Марс почти в 10 раз легче Земли, не имеет мощного магнитного поля и в настоящее время обладает довольно разреженной атмосферой. Однако недавние исследования показали, что в прошлом ситуация на Марсе могла быть иной. В частности, на его поверхности в больших количествах могла существовать жидкая вода, о чем свидетельствует анализ некоторых минералов. Возможно, в далеком прошлом этой планеты мощный вулканизм привел на какое-то время к существованию более плотной атмосферы и жидкой воды на поверхности.
Климат Марса и Венеры в далеком прошлом был иным.
Венера, несмотря на отсутствие магнитного поля, наоборот, имеет очень плотную атмосферу, в основном состоящую из CO2. Из-за этого мощнейший парниковый эффект привел к очень высокой температуре на поверхности (около 450 °C). Возможно, в далеком прошлом условия на Венере были гораздо более мягкими, пока парниковый эффект не начал существенно менять климат.
По составу и строению планеты-гиганты удобно разделить на две группы, поскольку более массивные Юпитер и Сатурн в основном состоят из водорода и гелия, в то время как более легкие Уран и Нептун имеют лишь относительно небольшие (по массе) самые внешние оболочки из этих легких элементов.
В Юпитере общая масса элементов тяжелее гелия может составлять до 40 масс Земли. Масса ядра при этом около 10 масс Земли. У Сатурна, в состав которого входит примерно 20–30 масс Земли в виде тяжелых элементов, ядро более тяжелое – от 10 до 20 земных масс. Расчеты показывают, что ядра этих планет не могут находиться в твердом состоянии, так что эти гиганты, вероятно, не имеют твердых составных частей (ни в ядре, ни во внешних оболочках), и потому конвекция играет большую роль в их структуре и эволюции. Нептун, по всей видимости, также не имеет твердого ядра. Ситуация с Ураном более сложная. Не исключено, что у этой планеты есть небольшое твердое ядро. Все планеты-гиганты обладают достаточно сильным магнитным полем, особенно Юпитер.
Внешние слои планет-гигантов – это толстые газовые оболочки. Поскольку все четыре гиганта быстро вращаются, мы видим их атмосферы «полосатыми» из-за зональных ветров, а ориентация полос перпендикулярна оси вращения. В верхних слоях дуют сильные ветры и возникают крупномасштабные вихревые структуры (самая известная из них – Большое красное пятно на Юпитере), связанные с штормовыми явлениями в атмосфере. Также из-за быстрого вращения все планеты-гиганты заметно сплюснуты.
Все четыре планеты-гиганта имеют системы колец. Самая большая и известная из них – у Сатурна. Еще в 1610 г. ее наблюдал Галилео Галилей, однако понять, что речь идет именно о кольцах, удалось лишь спустя несколько десятилетий Христиану Гюйгенсу (Christiaan Huygens). В наши дни наиболее детальные данные по кольцам Сатурна получены межпланетной станцией Cassini («Кассини»). Кольца Урана и Нептуна были открыты при наземных наблюдениях покрытий этими планетами звезд во второй половине XX в. А вот кольца Юпитера как следует разглядел только космический аппарат Voyager 1 («Вояджер-1»).
Планеты-гиганты (кроме, возможно, Урана) не имеют твердых ядер или оболочек.
В вопросе происхождения колец остается много неясного. Кольца Юпитера состоят из мелких пылинок размером порядка микрометра. За появление этой пыли отвечают близкие спутники (Амальтея и др.), которые постоянно бомбардируются микрометеоритами. Без них кольца исчезли бы за сотню тысяч лет. Кольца Урана и Нептуна, по-видимому, старые, их возраст может составлять миллиарды лет. Красивые кольца Сатурна могут в основном состоять из вещества, попавшего туда достаточно давно, но структура колец со временем должна меняться, так что современный облик колец, видимо, не старше нескольких десятков миллионов лет.
Спутники делятся на регулярные и иррегулярные. Первые из них имеют почти круговые орбиты, лежащие вблизи плоскости экватора. Орбиты иррегулярных могут быть сильно наклонены к экватору планеты, вытянуты, а кроме того, направление вращения может быть обратным. Считается, что регулярные спутники в основном образовались вместе с планетами, а иррегулярные были захвачены впоследствии.
Спутники планет-гигантов могут быть достаточно крупными. Самым большим (если считать массу и радиус твердой поверхности) является спутник Юпитера Ганимед. Он в два раза тяжелее Луны, а по размерам превосходит Меркурий. Спутник Сатурна Титан лишь немногим меньше и легче, но зато он имеет плотную атмосферу, и его видимый размер больше, чем у Ганимеда.
Все планеты-гиганты имеют системы колец.
По всей видимости, четыре крупнейших спутника Юпитера (так называемые галилеевы спутники – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), как и Титан, образовались вместе с планетой. Это регулярные спутники. А вот большой спутник Нептуна Тритон, который лишь втрое легче Луны, вероятно, был захвачен ледяным гигантом во время миграции в эпоху поздней тяжелой бомбардировки.
Для Луны был предложен особый механизм формирования, отличный от прочих спутников. Весь комплекс данных говорит о том, что примерно спустя 60–100 млн лет после образования Солнечной системы Земля столкнулась с массивным телом (по массе сравнимым с Марсом) и в результате этого катаклизма у нашей планеты появился необычно крупный спутник, чья масса составляет более 1 % массы Земли. В некоторых сценариях Луне отводится важная роль в эволюции Земли, в том числе в развитии жизни.
Луна сформировалась в результате столкновения молодой Земли с крупным телом.
Некоторые из спутников считаются кандидатами в обитаемые миры. Разумеется, речь может идти лишь о простейших формах жизни. В первую очередь потенциально обитаемыми считают подледные океаны, которые есть, например, на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе. Также существуют экзотические модели, в которых обсуждается потенциальная обитаемость Титана. При этом метаболизм гипотетических организмов должен принципиально отличаться от такового у земных существ. Наличие толстой азотной атмосферы (давление на поверхности сравнимо с земным) и озер из жидких углеводородов дает основания для таких экстравагантных гипотез.
2.3. Астероиды
Термин
Первый обнаруженный астероид, Церера, был открыт 1 января 1801 г. итальянским астрономом Джузеппе Пиацци (Guiseppe Piazzi). Церера с размерами около 1000 км является самым крупным объектом, когда-либо отнесенным к классу астероидов. Интересно, что изначально Церера была классифицирована как планета, но позднее, по мере обнаружения более мелких астероидов, она стала считаться одним из них. А с начала XXI в. в связи с новым изменением классификации Церера относится к классу карликовых планет (вместе с Плутоном и некоторыми другими транснептуновыми объектами).
Основная доля астероидов располагается в Главном поясе между орбитами Марса и Юпитера.
Сейчас самыми крупными астероидами являются Паллада и Веста с размерами около 500 км. Как и Церера, и множество более мелких объектов, они относятся к Главному поясу астероидов. Он располагается между орбитами Марса и Юпитера (примерно от 2,2 до 3,2 a.е.). В него входит более миллиона тел с размером от километра и больше, около трети из этого количества уже идентифицировано.
В последние годы открытия в основном совершаются в рамках автоматизированных обзоров, позволяющих обнаружить десятки новых тел в день. Подавляющее большинство астероидов не имеет собственных имен, у них есть лишь обозначения (например, 2016 GE1). До сих пор работает правило, согласно которому первооткрыватель может предложить имя открытого им астероида с хорошо установленной орбитой (хотя в регламенте существуют ограничения на присваиваемые имена), но окончательное решение принимает Международный астрономический союз (МАС). На сегодняшний день более 20 000 астероидов получили собственные имена, среди которых Хокинг, Зельдович, Хаббл и др.
Юпитер сильно влияет на орбиты астероидов Главного пояса.
На орбиты астероидов Главного пояса основное влияние оказывает Юпитер. В связи с этим (а также с влиянием других тел, например Сатурна) траектории движения распределены неравномерно, т. е. не случайным образом. За время существования Солнечной системы астероиды совершили около миллиарда оборотов вокруг Солнца, поэтому регулярные воздействия массивных тел «выстроили» их орбиты определенным образом, заставив занять устойчивые положения. Например, выделяется две группы астероидов, связанных с Юпитером и движущихся вблизи его орбиты. Одна группа опережает Юпитер на 60°, а другая – отстает. Первая группа носит название «греки» (Ахиллес, Агамемнон, Аякс и др.), а вторая – «троянцы» (Парис, Приам и др.)[1]. Свои троянцы есть и у Нептуна (вообще устоялась терминология, в которой подобные группы тел – как отстающие, так и опережающие планету – называют троянцами, в том числе и у Юпитера).
Существуют группы астероидов, орбиты которых пересекают земную, все время оставаясь невдалеке от нее. Иногда их обобщенно называют астероидами, сближающимися с Землей (или околоземными астероидами, от англ. Near-Earth asteroids – NEA), однако это не означает, что они все время находятся рядом с нашей планетой и постоянно представляют угрозу. Сейчас к околоземным астероидам относят около 15 000 тел, среди которых около тысячи имеют размер более километра. Ни один из этих объектов не является опасным на промежутке времени, для которого существуют достаточно точные расчеты.
Для астероидов, сближающихся с Землей, были получены детальные карты с помощью радаров.
Разумеется, столкновения с крупными астероидами, пусть и редкие, должны приводить к катастрофическим последствиям. Популярны сценарии, в которых глобальные вымирания видов на Земле связывают с падением большого небесного тела. Для этого астероид должен иметь размеры порядка нескольких километров. Тело размером в сотни метров может вызвать локальную катастрофу, если упадет на достаточно населенный район. Однако стоит иметь в виду, что большая часть земной поверхности покрыта океанами, морями, пустынями и лесами, так что вероятность падения тела на густонаселенный участок мала. В настоящее время работает несколько программ по мониторингу потенциально опасных объектов.
Сближение астероидов с Землей позволяет подробно рассмотреть их. Правда, в основном это делается не с помощью оптических телескопов, угловое разрешение которых недостаточно из-за влияния атмосферы. Для этого используют радары (например, трехсотметровую антенну в Аресибо), и в некоторых случаях такое зондирование позволяет распознать детали поверхности размером в несколько метров. В частности, такие наблюдения позволили надежно показать, что среди астероидов встречаются двойные (есть даже тройные астероиды, например Клеопатра).
Двойственность астероидов была заподозрена и ранее по результатам изучения их кривых блеска. Однако без детальных наблюдений трудно разделить эффект вращения объекта неправильной формы от обращения двух тел друг вокруг друга. Астероиды, как правило, имеют сложную форму, поскольку они недостаточно массивны, чтобы гравитация выровняла их, придав сферическую форму. Все астероиды размером менее 10 км наверняка являются осколками столкновений, что объясняет и их неправильную форму, и вращение.
Вращение астероидов может быть очень быстрым. Это особенно верно для самых маленьких тел размером менее нескольких сот метров, некоторые из них при размере около 10 м делают оборот менее чем за минуту. Наблюдения близких двойных астероидов позволяют измерить их массу, а значит, и среднюю плотность. Она оказывается достаточно низкой – около 1–2 г/см³. Это означает, что астероиды имеют довольно пористую структуру.
Существуют двойные и быстро вращающиеся астероиды.
Кроме астероидов Главного пояса есть еще одна большая группа малых тел – пояс Койпера. Иногда его еще называют поясом Эйджворта – Койпера в честь Кеннета Эйджворта (Kenneth Edgeworth) и Джерарда Койпера (Gerard Kuiper). Свои идеи и гипотезы о существовании большого числа транснептуновых тел они начали развивать в 1940–1950-е гг. Однако лишь в конце 1980-х – начале 1990-х гг. развитие техники наблюдений позволило начать массовое обнаружение небесных тел с размерами порядка крупных астероидов за орбитой Нептуна.
Еще одна существенная группа объектов – кентавры. Это название отражает тот факт, что они объединяют свойства астероидов и комет. Во-первых, многие из них, подобно кометам, двигаются по очень вытянутым орбитам с большими эксцентриситетами (классический пример – астероид Хирон, орбита которого имеет эксцентриситет примерно 0,4). Во-вторых, некоторые из кентавров демонстрируют кометную активность, они выбрасывают газ, формирующий вокруг них оболочку – кóму. Это говорит о том, что нельзя просто классифицировать кометы как ледяные объекты, а астероиды – как каменные или железно-каменные. Среди астероидов также встречаются объекты с большим содержанием замороженных летучих веществ.
Некоторые астероиды включают большое количество замороженных летучих соединений.
Есть и другие интересные примеры полуастероидов-полукомет. В 1979 г. было открыто малое тело 1979 OW7, которое сейчас имеет двойное наименование: кометное 133P/Elst-Pizarro и астероидное 7968 Elst-Pizarro (назван в честь Эрика Елста и Гуидо Пизарро (Eric W. Elst, Guido Pizarro)). Это первая так называемая комета Главного пояса. Всего их известно около десятка.
Таким образом, астероиды, будучи все-таки по преимуществу объектами из силикатов и железа, могут включать в себя значительные массы льда, в том числе водяного. В некоторых моделях предполагается, что наряду с кометами астероиды играли роль в доставке воды на молодую Землю, поскольку в ряде сценариев сразу после формирования наша планета не обладала достаточным запасом воды, чтобы объяснить наблюдаемое сейчас количество этого важнейшего для жизни вещества.
Для дюжины астероидов были получены изображения с близкого расстояния с помощью межпланетных станций.
Существуют модели, в которых значительное количество железно-каменных астероидов вскоре после своего рождения на расстоянии менее 3 a.е. от Солнца было выброшено массивными планетами на высокие орбиты. Сейчас такие объекты должны находиться в облаке Оорта, а их количество на порядки превосходит число астероидов во внутренней Солнечной системе.
Некоторые астероиды были в деталях исследованы космическими аппаратами с близкого расстояния. Первыми стали Гаспра и Ида, мимо которых в 1991 и 1993 гг. соответственно пролетел космический аппарат Galileo («Галилео»), направлявшийся к Юпитеру. При этом удалось получить высококачественные изображения поверхности. Затем с помощью аппарата NEAR в 1997–1998 гг. были исследованы астероиды Матильда и Эрос. Сейчас существует около десятка околоземных астероидов (NEA) и астероидов Главного пояса, для которых с помощью различных межпланетных станций получены снимки поверхности в высоком разрешении, что позволяет исследовать их особенности и обсуждать эволюцию.
Под действием солнечного ветра и микрометеоритов поверхность астероидов подвергается выветриванию.
Поделиться книгой: