Космос

Снимок участка поверхности Меркурия, полученный АМС «Мессенджер» 14 января 2008 г. 

Ближайшая к Солнцу планета земной группы, Меркурий, — самая маленькая из восьми больших планет Солнечной системы и самая быстрая планета в Солнечной системе. Он движется по орбите вокруг Солнца со средней скоростью около 48 км/с. Из-за того, что орбита Меркурия сильно вытянута, разность расстояний в самой близкой и далёкой от Солнца точках равна 23,8 млн. км. Из-за близости к Солнцу Меркурий получает на квадратный метр поверхности в среднем в 6,7 раз больше солнечного света, чем Земля. Естественных спутников у планеты нет.

За один оборот вокруг Солнца Меркурий успевает совершить 1,5 оборота вокруг своей оси, и поэтому на поверхности планеты существует два меридиана, которые попеременно обращены к Солнцу во время прохождения перигелия — ближайшей к светилу точки орбиты планеты. На этих «горячих долготах» даже по меркам Меркурия весьма жарко: температура в экваториальных областях достигает 427 °С.

Скорость вращения планеты вокруг своей оси приблизительно постоянна, а скорость орбитального движения заметно меняется из-за сильной вытянутости орбиты. В результате при прохождении планетой перигелия в течение примерно восьми суток скорость орбитального движения превышает скорость вращения планеты вокруг своей оси и Солнце в меркурианском небе сначала останавливается, а потом начинает двигаться в обратном направлении — с запада на восток.

Современные радарные исследования приполярных областей планеты показали наличие вещества, сильно отражающего радиоволны. Это может быть водяной лёд, ведь молекулы воды попадают в атмосферу Меркурия при ударах комет. Солнце поочерёдно освещает оба полушария планеты, но в глубокие долины вблизи полюсов его лучи не проникают никогда, и в этих тёмных холодных зонах могут существовать ледники толщиной до двух метров.

В 2008 г. американские астрономы сообщили об открытии у Меркурия «хвоста» длиной более 2,5 млн. км. Он состоит из атомов натрия, кальция и магния, выбитых с поверхности планеты в результате столкновения с тяжёлыми частицами солнечного ветра и метеороидами.

Меркурий

Внутреннее строение Меркурия 

Одной из особенностей Меркурия является очень разреженная атмосфера, состоящая из атомов гелия, водорода, аргона, неона и др. Она образовалась из захваченных планетой частиц солнечного ветра, а также из частиц, которые были выбиты солнечным ветром с её поверхности. В среднем каждый атом гелия находится в атмосфере Меркурия порядка 200 дней, а затем покидает планету. Отсутствие плотной атмосферы в сочетании с близостью к Солнцу и достаточно медленным вращением приводит к самым резким в Солнечной системе перепадам температур. Средняя температура дневной поверхности Меркурия столь высока (350 °С), что на ней могли бы образоваться свинцовые реки (температура плавления свинца 327 °С), в то время как средняя температура ночной поверхности планеты опускается до значений -1 70 °С.

Форма Меркурия близка к сферической. Эта необычная «железная» планета с гигантским железоникелевым ядром, предположительно жидким, обладает магнитным полем, происхождение которого пока не имеет однозначного объяснения. Его форма симметрична и похожа на форму магнитного поля Земли, но напряжённость в 300 раз меньше земного.

Большую часть времени Меркурий расположен к Земле ближе, чем Венера и Марс. В первое десятилетие XXI в. наземные и космические наблюдения планеты позволили учёным сделать много интересных открытий. Но несмотря на это, Меркурий на сегодняшний день всё ещё остаётся наименее изученной планетой земной группы.

Венера

Только две из восьми больших планет Солнечной системы носят женские имена — это Земля и Венера. Отличительным признаком Венеры на звёздном небе является её ровный белый цвет, причём из всех небесных светил ярче Венеры сияют только Луна и Солнце. Своей высокой яркостью планета обязана окружающим её плотным облакам, которые прекрасно отражают солнечный свет.

Венера, как и Меркурий, относится к внутренним планетам, так как её орбита расположена к Солнцу ближе, чем орбита Земли, естественных спутников у неё нет. Она движется практически по круговой орбите в ту же сторону, что и другие планеты, причём орбита у неё самая «круглая» из всех планет Солнечной системы.

Вращается Венера с востока на запад, т. е. в направлении, противоположном направлению вращения Земли и большинства других планет, поэтому Солнце на Венере восходит на западе.

Располагаясь на 41,4 млн. км ближе к светилу, чем Земля, Венера получает тепла и света в два раза больше нашей планеты. Средняя температура венерианской поверхности 460 °С. Это существенно превышает температуру поверхности Меркурия, находящегося вдвое ближе к Солнцу! Причиной столь высокой температуры на Венере является парниковый эффект, создаваемый плотной атмосферой.

Поверхность Венеры скрывается под мощным слоем облаков

Кратеры на поверхности Венеры 

Из всех планет земной группы Венера обладает самой массивной газовой оболочкой: её атмосфера почти в 100 раз массивнее земной. Венерианский воздух на 95% состоит из углекислого газа (СO₂) и на 3,5% — из азота, а небо на Венере имеет яркий жёлто-зелёный оттенок. Такое большое количество СO₂ объясняется тем, что (в отличие от нашей планеты) на Венере нет растений или какой-нибудь другой органической жизни, которая могла бы его перерабатывать.

Древние извержения вулканов на Венере привели к тому, что в её атмосфере содержится большое количество серы, и венерианские облака в основном состоят из капелек концентрированной серной кислоты (H₂SO₄).

Из-за того что поверхность планеты скрывается под толстым слоем очень густых облаков серной кислоты, которые хорошо отражают видимый свет, в видимом диапазоне её нельзя рассмотреть даже с орбиты искусственного спутника. Однако эти облака пропускают радиоволны, поэтому исследование поверхности Венеры стало возможным с развитием радиолокационных методов.

Глубина облачного покрова в некоторых местах достигает 50 км, и поскольку венерианская атмосфера намного мощнее нашей, то азота в ней, например, по массе в 5 раз больше, чем в атмосфере Земли.

У самой поверхности атмосфера Венеры практически неподвижна, но на высотах порядка 60 км дуют постоянные ураганные ветры, скорость которых достигает 100 м/с и быстро уменьшается с увеличением высоты. Вращение облачного слоя происходит в туже сторону, что и вращение планеты (с востока на запад), и ветер огибает её за 4–5 земных суток.

Давление у поверхности планеты превышает 90 атм (как в толще моря на глубине около 1 км). Сочетание сверхвысоких давления и температуры приводит к тому, что основные компоненты венерианской атмосферы — углекислый газ и азот — пребывают в таком плотном состоянии, что почти не отличаются от жидкости.

Земля

Земля как одна из планет Солнечной системы на первый взгляд ничем не примечательна. Это не самая большая, но и не самая малая из планет. Она не ближе других к Солнцу, но и не обитает на периферии планетной системы. И всё же Земля обладает одной уникальной особенностью — на ней есть жизнь. Однако при взгляде на Землю из космоса это незаметно. Хорошо видны облака, плавающие в атмосфере. Сквозь просветы в них различимы материки. Большая же часть Земли покрыта океанами.

Появление живого вещества на нашей планете — следствие её эволюции. В свою очередь биосфера оказала значительное влияние на весь дальнейший ход природных процессов. Так, не будь жизни на Земле, химический состав её атмосферы был бы совершенно иным.

Непросто «заглянуть» в недра Земли. Даже самые глубокие скважины на суше едва преодолевают 10-километровый рубеж, а под водой удаётся, пройдя осадочный чехол, проникнуть в базальтовый фундамент не более чем на 1,5 км. Однако нашёлся другой способ. Как в медицине ультразвуковое исследование (УЗИ) позволяет увидеть внутренние органы человека, так при исследовании недр планеты на помощь приходят сейсмические волны. Скорость сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород, через которые они проходят. Более того, они отражаются от границ между пластами пород разного типа и преломляются на этих границах.

Земля — единственная планета Солнечной системы, на которой существует жизнь

Внутреннее строение Земли

По записям колебаний земной поверхности при землетрясениях — сейсмограммам — было установлено, что недра Земли состоят из трёх основных частей: коры, оболочки (мантии) и ядра. Кора отделяется от оболочки отчётливой границей, на которой скачкообразно возрастают скорости сейсмических волн, что вызвано резким повышением плотности вещества. Толщина коры непостоянна, она изменяется от нескольких километров в океанических областях до нескольких десятков километров в горных районах материков. Мантия, расположенная под земной корой, простирается до глубины примерно 2900 км и имеет сложное строение.

Ещё в XIX столетии стало ясно, что у Земли должно быть плотное ядро, а в начале XX в. были получены первые сейсмологические свидетельства его существования. Если плотность наружных пород земной коры составляет около 2,8 г/м3 для гранитов и примерно 3 г/м3 для базальтов, то средняя плотность нашей планеты — 5,51 г/м3.

В то же время существуют железные метеориты со средней плотностью 7,85 г/м3 и возможна ещё более значительная концентрация железа. Это послужило основанием для гипотезы о железном ядре Земли. Ядро состоит из двух частей — внешней жидкой и внутренней твёрдой. Переходная зона между жидким и твёрдым ядрами довольно тонкая — около 5 км. Чем глубже мы будем проникать в недра Земли, тем выше будут давление и температура. В ядре Земли давление превышает 3600 кбар, а температура — 6000 °С.

О высокой температуре земных недр учёные догадывались давно. Об этом свидетельствовали и вулканические извержения, и рост температуры при погружении в глубокие шахты.

* * *

Луна

Луна — самый яркий объект на небе после Солнца, а ночью ей и вовсе нет равных среди светил. Это единственный естественный спутник Земли, а также первое и единственное в настоящий момент внеземное небесное тело, на котором побывал человек. Пара Земля — Луна в Солнечной системе смотрится довольно странно. Луна — пятый по величине естественный спутник в Солнечной системе, её масса всего в 81,3 раза меньше земной. Это необычайно высокое соотношение масс для спутника и планеты в Солнечной системе, выше только у пары Плутон-Харон, но Плутон — карликовая планета.

Путь Луны вокруг Земли — не эллипс, а медленно раскручивающаяся спираль, о чем говорил ещё в начале XIX в. один из авторов «небулярной гипотезы» происхождения Солнечной системы великий французский ученый Пьер Симон Лаплас. Луна удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год, и в далеком прошлом она была гораздо ближе к нам, чем сейчас. Объясняется этот эффект взаимным притяжением Луны и Земли, которое тормозит вращение Земли, вызывает приливы и отливы и синхронизирует вращение Луны вокруг своей оси с её обращением вокруг Земли, так что Луна всегда обращена к Земле одним своим полушарием.

Лунная поверхность состоит из относительно ровных тёмных участков — «морей» и более светлых гористых участков — «материков» (или «земель»). Моря представляют собой гигантскиеударные кратеры, заполненные застывшей базальтовой лавой.

Французские астрономы изучили сравнительный возраст и распределение 48 лунных кратеров, образованных ударами астероидов. Они пришли к заключению, что миллиарды лет назад Луна была повёрнута к Земле стороной, которая сейчас является «обратной», и в то время она была лучше защищена от ударов метеоритов. А в нынешнее положение Луну развернул произошедший 3,9 млрд. лет назад удар крупного астероида, после которого на поверхности спутника осталось самое глубокое лунное море — Море Смита.

Почти вся поверхность Луны покрыта толстым слоем спёкшегося вещества — реголита, который представляет собой мелко раздробленные лунные породы, образующие как бы слежавшуюся губчатую массу. Лунные породы дробились в основном за счёт резких перепадов температуры при смене дня и ночи, а также в результате множества ударов небольших метеоритов. Средний диаметр зёрен реголита менее 1 мм, но встречается и значительное количество обломков более крупного размера. Лунный грунт поглощает больше 90% солнечного света и сильно рассеивает всё, что не удалось поглотить. Рассеянный реголитом солнечный свет и образует характерное для Луны серебристое сияние.

Из-за малой массы Луна не может удержать своим притяжением мощную атмосферу. Днём концентрация свободных частиц у поверхности несколько возрастает, так как лунный грунт при нагревании выделяет газ, но всё равно и дневная, и ночная концентрации соответствуют вакууму. Как следствие лунная поверхность не защищена от непосредственного воздействия солнечного электромагнитного излучения, ударов частиц солнечного ветра и метеоритов, а также от резких перепадов температуры: днём она в среднем разогревается до 107 ºС, а ночью охлаждается до -153 ºС.

Видимая поверхность Луны

Марс

Марс выглядит на ночном небе как яркооранжевая звезда. Цвет планеты определяют красные оксиды железа, присутствующие в поверхностных породах.

С точки зрения топографии Марс на сегодняшний день — одно из наиболее изученных тел Солнечной системы. Основная черта марсианской «географии» — так называемая дихотомия полушарий. Поверхность планеты состоит как бы из двух контрастных частей: южное полушарие покрывают древние высокогорья, а в северных широтах сосредоточены более молодые равнины. Разница высот между горными и равнинными областями достигает 6 км. Почему полушария Марса так сильно отличаются друг от друга, до сих пор неясно. Возможно, такое деление связано с давней катастрофой — падением на Марс крупного астероида.

Заполненный льдом безымянный кратер Марса

Марс

Внутреннее строение планеты 

У Марса атмосфера существенно более разреженна, чем воздушная оболочка Земли. По составу она напоминает атмосферу Венеры и на 95% состоит из углекислого газа. Около 4% приходится на долю азота и аргона; кислорода и водяного пара в марсианской атмосфере меньше 1%. Водяной пар и углекислый газ в марсианской атмосфере часто собираются в облака. Наблюдения с космических аппаратов показали, что на Марсе встречается облачность самых разнообразных форм и видов: перистые, волнистые, подветренные облака (вблизи крупных гор и под склонами больших кратеров, в местах, защищенных от ветра). Над низинами (каньонами, долинами) и на дне кратеров в холодное время суток часто стоят туманы. Зимой 1979 г. в районе посадки «Викинга-2» выпал тонкий слой снега, который пролежал несколько месяцев.

Средняя температура на Марсе значительно ниже, чем на Земле, — около -40 °С. При наиболее благоприятных условиях — летним днём в районе экватора — воздух прогревается до 0 °С — приемлемая температура для жителей Земли. Но зимней ночью мороз может достигать -125 °С. Такие резкие перепады температуры вызваны тем, что разреженная атмосфера Марса не способна долго удерживать тепло.

Над поверхностью планеты часто дуют сильные ветры, скорость которых доходит до 100 м/с. Малая сила тяжести позволяет даже разреженным потокам воздуха поднимать огромные облака пыли. Иногда довольно обширные области на Марсе бывают охвачены грандиозными пылевыми бурями. Чаще всего они возникают вблизи полярных шапок. Глобальная пылевая буря на Марсе помешала фотографированию поверхности с борта зонда «Маринер-9». Она бушевала с сентября 1971 по январь 1972 г., подняв в атмосферу на высоту более 10 км около миллиарда тонн пыли.

У Марса два спутника — Фобос и Деймос, которые в 1877 г. обнаружил американский астроном Асаф Холл. Оба спутника испытывают сильное приливное воздействие со стороны Марса, поэтому всегда повёрнуты к нему одной стороной. Фобос и Деймос движутся по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости экватора планеты. Некоторые исследователи считают, что спутники Марса попали к нему «не по своей воле», а были захвачены из пояса астероидов.

Фобос обращается вокруг Марса на расстоянии 9400 км от центра планеты, причём скорость его обращения столь велика, что один оборот он совершает за треть марсианских суток, обгоняя суточное вращение планеты. Из-за этого Фобос восходит на западе и опускается за горизонт на востоке. 

Удаление этого спутника от центра планеты составляет более 23 тыс. км, и на один оборот у него уходит почти на сутки больше, чем у Фобоса. Сильное приливное трение, возникающее вследствие близкого расположения Фобоса к Марсу, затормаживает его, и спутник медленно приближается к поверхности планеты, чтобы в конце концов упасть на неё, если к тому времени гравитационное поле Марса не разорвёт его на куски.

Юпитер 

Пятая от Солнца планета — Юпитер по массе и по размеру заметно превосходит всех своих «сестёр» по Солнечной системе. В отличие от Венеры, которая из-за близости к Солнцу появляется только на рассвете и на закате, сияющий ровным белым светом Юпитер бывает виден всю ночь. Юпитер и три другие огромные холодные планеты — Сатурн, Уран и Нептун — называют планетами-гигантами или газовыми гигантами, потому что они состоят в основном из водорода и гелия. Ось вращения гиганта почти перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому на Юпитере нет смены времён года.

В отличие от твёрдых планет земной группы, газовые гиганты вращаются неоднородно. У Юпитера скорость вращения на экваторе равна 45 300 км/ч и уменьшается при продвижении к полюсам. Из-за быстрого вращения наблюдается заметное сжатие планеты: полярный радиус меньше экваториального на 6,5%, что составляет 4,6 тыс. км.

Интересно, что в Солнечной системе только у Юпитера центр масс системы Солнце — планета находится вне Солнца и удалён от последнего приблизительно на 7% солнечного радиуса.

Масса Юпитера в 1000 раз меньше солнечной, но будь он раз в 60–80 массивнее, то вполне мог бы стать не планетой, а звездой. Однако Юпитер и так ведёт себя не совсем «нормально» для планеты: известно, что он обладает собственным источником тепла и выделяет в 2–3 раза больше энергии, чем получает от Солнца. Точный механизм этого явления пока неизвестен, это может быть следствием как постепенного сжатия планеты или опускания гелия и более тяжёлых элементов, так и процессов радиоактивного распада в недрах гиганта.

Юпитер

Внутреннее строение планеты 

Юпитер обладает самой мощной атмосферой в Солнечной системе. Состав облачного покрова планеты-гиганта подобен составу всей планеты в целом, и он гораздо больше похож на солнечный, чем на нашу земную атмосферу. 75% по массе приходится на водород, 24% — на гелий, а 1% — на примеси: метан (CH₄), водяной пар и аммиак (NH₃). Помимо этого, в юпитерианском воздухе имеются также следы органических соединений, этана (C₂H₄), сероводорода (H₂S), неона, кислорода, фосфина (PH₃) и серы. Не очень-то «приятный» состав, если вспомнить, что аммиак многим знаком по резкому запаху нашатырного спирта, сероводород — по запаху тухлых яиц, а фосфин пахнет тухлой рыбой…

Большое Красное Пятно на Юпитере

На любой фотографии Юпитера видно, что его поверхность покрыта чередующимися тёмными и светлыми полосами правильной формы, которые со временем меняют своё расположение. Это длинные ряды туч и облаков. Полосы облачной структуры появляются из-за того, что вдоль параллелей на планете дуют ураганные ветры, скорость которых может достигать 500 км/ч, причём в смежных полосах потоки ветра направлены в противоположные стороны.

Из-за огромного удаления от «источника подогрева» — Солнца температура поверхностного слоя юпитерианских облаков опускается ниже -140 °С

Исследования атмосферы Юпитера показали, что все процессы, происходящие в ней, подобны тем, которые мы наблюдаем в земной атмосфере, только гораздо более масштабные. «Нрав» у гиганта суровый: в его атмосфере всегда идут грозы и бушуют сильные штормы, а молнии, сверкающие там, в тысячи раз мощнее земных. 

Спутники и кольца Юпитера

В 1979 г. «Вояджер» обнаружил у Юпитера систему колец радиусом 129 000 км и толщиной порядка 30 км. В отличие от колец Сатурна у Юпитера они тёмные и слабо различимы, не содержат льда и состоят в основном из пыли и мелких каменных частиц, которые плохо отражают солнечные лучи. Всего колец три: два основных и одно очень тонкое внутреннее, характерного оранжевого цвета. Все они очень разреженные и расположены в плоскости экватора на высоте порядка 55 000 км над атмосферой, поэтому с Земли их можно наблюдать только в инфракрасном диапазоне. Изучение колец Юпитера показало, что источником их пополнения являются небольшие спутники планеты-гиганта.

Спутник Юпитера Ио

Самые крупные спутники Юпитера

Ударный кратер Хар на Каллисто 

Естественных спутников у Юпитера к 2010 г. было известно 63, больше, чем у любой другой планеты Солнечной системы. Наземными методами к концу 1970-х гг. было открыто 13 юпитерианских лун, в 1979 г. космический аппарат «Вояджер-1» обнаружил ещё 3, а начиная с 1999 г. при помощи наземных телескопов нового поколения были открыты остальные 47 спутников, причём большинство из них — это небольшие скалистые тела неправильной формы диаметром 2–4 км.

Некоторые из малых спутников Юпитера движутся почти по одинаковым орбитам, так что они вполне могут быть остатками более крупных лун, разрушенных тяготением планеты-гиганта.

Граница орбит спутников определяется областью гравитационного притяжения планеты и удалена от неё на расстояние 52 млн. км. Внешние, наиболее удалённые от Юпитера спутники нельзя увидеть с поверхности планеты невооружённым глазом, а с самого далёкого из них газовый гигант выглядит меньше, чем Луна на нашем небе. Далёкие от планеты спутники обращаются вокруг неё в разных направлениях и вполне могут быть астероидами, захваченными гравитационным полем Юпитера. 

Четыре самых крупных спутника Юпитера — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто — были открыты Галилео Галилеем в 1610 г., поэтому впоследствии их стали называть галилеевыми. Все они движутся почти по круговым орбитам в плоскости экватора планеты. Силы приливного взаимодействия с планетой оказывают на них такое же влияние, как и на Луну с Землёй: вращение Юпитера постепенно замедляется, а спутники медленно удаляются от него, синхронизируя своё вращение с гигантом и постоянно обращаясь к нему одной и той же стороной.

Юпитер оставил свой след не только в мифах и религиях разных народов, но и в истории науки. Открытие галилеевых спутников — одно из первых, совершённых с помощью телескопа. Кроме того, Юпитер со спутниками так сильно напоминал Солнечную систему, что это сыграло определённую роль в формировании гелиоцентрической картины мира.

Каждый из галилеевых спутников по-своему примечателен. На Ио обнаружено большое количество вулканов, действующих и потухших. Выбросы диоксида серы при извержении достигают высоты 300 км, при этом основная часть газа замерзает на поверхности спутника, но некоторое его количество улетает в космос и образует кольцо, опоясывающее Юпитер. Кроме того, Ио обладает атмосферой, которая плотнее атмосферы Меркурия, хотя и в 10 млн. раз разреженнее земной. Европа покрыта водяным льдом, и вполне возможно, что под коркой толщиной 1 00 км существует тёплый океан, солёность которого близка к солёности земных океанов. Некоторые учёные даже надеются когда-нибудь обнаружить в подлёдном океане Европы примитивные формы жизни. Ганимед — самый большой спутник Юпитера и вообще в Солнечной системе. Его радиус равен 2634 км, так что по размеру он превосходит Луну и даже Меркурий. А Каллисто с радиусом 2408 км тоже близка по размеру к Меркурию и является третьим по величине спутником в Солнечной системе после Ганимеда и спутника Сатурна Титана.

* * *

Гигантский вихрь

В 1665 г. Джованни Кассини обнаружил в южном полушарии Юпитера Большое Красное Пятно. До полётов американских космических аппаратов «Вояджер» некоторые полагали, что пятно — это некое твёрдое образование, но теперь мы знаем, что это область высокого давления в атмосфере, гигантский вихрь, размеры которого существенно больше Земли.

Большое Красное Пятно — самый крупный ураган в Солнечной системе. Оно расположено на 8 км выше верхнего слоя облаков и вращается против часовой стрелки, совершая один оборот за шесть земных суток, а скорость ветра внутри него порядка 500 км/ч. Размеры Пятна постоянно меняются, в длину оно занимает 24–40 тыс. км, а в ширину — 12–14 тыс. км, но в целом пятно уменьшается: в 1880 г. Большое Красное Пятно было в два раза больше и заметно ярче, чем сейчас. 

Сатурн 

Шестая от Солнца планета, Сатурн, не относится к наиболее ярким объектам звёздного неба. Однако его медленно перемещающийся по ночному небосклону желтоватый немерцающий диск хорошо виден невооружённым глазом, поэтому люди наблюдали Сатурн с давних времён и считали его самой далёкой планетой.

Сатурн состоит в основном из газов и не имеет твёрдой поверхности, он относится к газовым гигантам и по размеру занимает второе место в Солнечной системе после Юпитера. Как и большинство планет, Сатурн вращается с запада на восток, причём скорости вращения на разных широтах различны: в приэкваториальных областях один оборот вокруг оси занимает 10 ч 34 мин 13 с, а в приполярных — приблизительно на 26 мин больше.

Сатурн