СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА, Солнце и обращающиеся вокруг него небесные тела – 9 планет, более 63 спутников, четыре системы колец у планет-гигантов, десятки тысяч астероидов, несметное количество метеороидов размером от валунов до пылинок, а также миллионы комет. В пространстве между ними движутся частицы солнечного ветра – электроны и протоны. Исследована еще не вся Солнечная система: например, большинство планет и их спутников лишь бегло осмотрены с пролетных траекторий, сфотографировано только одно полушарие Меркурия, а к Плутону пока не было экспедиций. Но все же с помощью телескопов и космических зондов собрано уже много важных данных.

Почти вся масса Солнечной системы (99,87%) сосредоточена в Солнце. Размером Солнце также значительно превосходит любую планету ее системы: даже Юпитер, который в 11 раз больше Земли, имеет радиус в 10 раз меньше солнечного. Солнце – обычная звезда, которая светит самостоятельно за счет высокой температуры поверхности. Планеты же светят отраженным солнечным светом (альбедо), поскольку сами довольно холодны. Они расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Расстояния в Солнечной системе принято измерять в единицах среднего расстояния Земли от Солнца, называемого астрономической единицей (1 а.е. = 149,6 млн. км). Например, среднее расстояние Плутона от Солнца 39 а.е., но иногда он удаляется на 49 а.е. Известны кометы, улетающие на 50 000 а.е. Расстояние от Земли до ближайшей звезды a Кентавра 272 000 а.е., или 4,3 световых года (т. е. свет, движущийся со скоростью 299 793 км/с, проходит это расстояние за 4,3 года). Для сравнения, от Солнца до Земли свет доходит за 8 мин, а до Плутона – за 6 ч.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА. Девять больших планет показано в масштабе их относительного размера и положения орбит. Внутренние планеты (планеты земной группы) – это Меркурий, Венера, Земля и Марс. К планетам-гигантам относят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самая далекая планета – Плутон.

Планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам, лежащим приблизительно в одной плоскости, в направлении против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Земли. Плоскость орбиты Земли (плоскость эклиптики) лежит близко к средней плоскости орбит планет. Поэтому видимые пути планет, Солнца и Луны на небе проходят вблизи линии эклиптики, а сами они всегда видны на фоне созвездий Зодиака. Наклоны орбит отсчитываются от плоскости эклиптики. Углы наклона менее 90° соответствуют прямому орбитальному движению (против часовой стрелки), а углы более 90° – обратному движению. Все планеты Солнечной системы движутся в прямом направлении; наибольший наклон орбиты у Плутона (17°). Многие кометы движутся в обратной направлении, например, наклон орбиты кометы Галлея 162°.

Орбиты всех тел Солнечной системы очень близки к эллипсам. Размер и форма эллиптической орбиты характеризуются большой полуосью эллипса (средним расстоянием планеты от Солнца) и эксцентриситетом, изменяющимся от е = 0 у круговых орбит до е = 1 у предельно вытянутых. Ближайшую к Солнцу точку орбиты называют перигелием, а самую удаленную – афелием. См. также ОРБИТА; КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ.

С точки зрения земного наблюдателя планеты Солнечной системы делят на две группы. Меркурий и Венеру, которые ближе к Солнцу, чем Земля, называют нижними (внутренними) планетами, а более далекие (от Марса до Плутона) – верхними (внешними). У нижних планет существует предельный угол удаления от Солнца: 28° у Меркурия и 47° у Венеры. Когда такая планета максимально удалена к западу (востоку) от Солнца, говорят, что она находится в наибольшей западной (восточной) элонгации. Когда нижняя планета видна прямо перед Солнцем, говорят, что она находится в нижнем соединении; когда прямо за Солнцем – в верхнем соединении. Подобно Луне, эти планеты проходят через все фазы освещения Солнцем в течение синодического периода P_s – времени, за которое планета возвращается к исходному положению относительно Солнца с точки зрения земного наблюдателя. Истинный орбитальный период планеты (P) называют сидерическим. Для нижних планет эти периоды связаны соотношением:

1/P_s = 1/P – 1/P_o

где P_o – орбитальный период Земли. Для верхних планет подобное соотношение имеет другой вид:

1/P_s = 1/P_o – 1/P

Для верхних планет характерен ограниченный диапазон фаз. Максимальный фазовый угол (Солнце–планета–Земля) у Марса 47°, у Юпитера 12°, у Сатурна 6°. Когда верхняя планета видна за Солнцем, она находится в соединении, а когда в противоположном Солнцу направлении – в противостоянии. Планета, наблюдаемая на угловом расстоянии 90° от Солнца, находится в квадратуре (восточной или западной).

Пояс астероидов, проходящий между орбитами Марса и Юпитера, делит планетную систему Солнца на две группы. Внутри него располагаются планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), схожие тем, что это небольшие, каменистые и довольно плотные тела: их средние плотности от 3,9 до 5,5 г/см³. Они сравнительно медленно вращаются вокруг осей, лишены колец и имеют мало естественных спутников: земную Луну и марсианские Фобос и Деймос. Вне пояса астероидов находятся планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Для них характерны большие радиусы, низкая плотность (0,7–1,8 г/см³) и глубокие атмосферы, богатые водородом и гелием. Юпитер, Сатурн и, возможно, другие гиганты лишены твердой поверхности. Все они быстро вращаются, имеют много спутников и окружены кольцами. Далекий маленький Плутон и крупные спутники планет-гигантов во многом схожи с планетами земной группы.

Древние люди знали планеты, видимые невооруженным глазом, т.е. все внутренние и внешние вплоть до Сатурна. В.Гершель открыл в 1781 Уран. Первый астероид обнаружил Дж.Пиацци в 1801. Анализируя отклонения в движении Урана, У.Леверье и Дж.Адамс теоретически открыли Нептун; на вычисленном месте его обнаружил И.Галле в 1846. Самую далекую планету – Плутон – открыл в 1930 К.Томбо в результате длительных поисков занептуновой планеты, организованных П.Ловеллом. Четыре больших спутника Юпитера обнаружил Галилей в 1610. С тех пор при помощи телескопов и космических зондов у всех внешних планет найдены многочисленные спутники. Х.Гюйгенс в 1656 установил, что Сатурн окружен кольцом. Темные кольца Урана были открыты с Земли в 1977 при наблюдении покрытия звезды. Прозрачные каменные кольца Юпитера обнаружил в 1979 межпланетный зонд «Вояджер-1». С 1983 в моменты покрытия звезд отмечались признаки неоднородных колец у Нептуна; в 1989 изображение этих колец было передано «Вояджером-2» (см. такжеАСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА; ЗОДИАК; КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД;НЕБЕСНАЯ СФЕРА).

ПЛАНЕТЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

Внутреннее строение.

Важнейшим параметром, определяющим состав планеты, служит средняя плотность (полная масса, деленная на полный объем). Ее значение сразу указывает, какова планета – «каменная» (силикаты, металлы), «ледяная» (вода, аммиак, метан) или «газовая» (водород, гелий). Хотя поверхности Меркурия и Луны поразительно похожи, их внутренний состав совершенно различен, поскольку средняя плотность Меркурия в 1,6 раза выше, чем у Луны. При этом масса Меркурия невелика, а значит, его высокая плотность в основном обязана не сжатию вещества под действием силы тяжести, а особому химическому составу: Меркурий содержит по массе 60–70% металлов и 30–40% силикатов. Содержание металлов на единицу массы у Меркурия значительно выше, чем у любой другой планеты.

Венера вращается настолько медленно, что ее экваториальное вздутие измеряется лишь долями метра (у Земли – 21 км) и совершенно не может сообщить что-либо о внутренней структуре планеты. Ее гравитационное поле коррелирует с топографией поверхности, в отличие от Земли, где континенты «плавают». Возможно, континенты Венеры фиксируются жесткостью мантии, но не исключено, что рельеф Венеры динамически поддерживается энергичной конвекцией в ее мантии.

Поверхность Земли существенно моложе поверхностей других тел Солнечной системы. Причиной этого в основном служит интенсивная переработка вещества коры в результате тектоники плит. Заметно влияет и эрозия под действием жидкой воды. На поверхностях большинства планет и спутников доминируют кольцевые структуры, связанные с ударными кратерами или вулканами; на Земле тектоника плит привела к тому, что ее крупнейшие возвышенности и низменности носят линейный характер. Примером служат горные хребты, вырастающие в местах столкновения двух плит; океанические желоба, отмечающие места, где одна плита уходит под другую (зоны субдукции); а также срединно-океанические хребты в тех местах, где две плиты расходятся под действием всплывающей из мантии молодой коры (зоны спрединга). Таким образом, рельеф земной поверхности отражает динамику ее недр.

Небольшие образцы верхней мантии Земли становятся доступны для лабораторного изучения, когда они поднимаются к поверхности в составе магматических пород. Известны ультраосновные включения (ультрабазиты, бедные силикатами и богатые Mg и Fe), содержащие минералы, которые формируются только при высоком давлении (например, алмаз), а также парные минералы, способные сосуществовать только в том случае, если они сформировались при высоком давлении. Эти включения позволили с достаточной точностью оценить состав верхней мантии до глубины ок. 200 км. Минералогический состав глубинной мантии известен не так хорошо, поскольку пока нет точных данных о распределении температуры с глубиной и не воспроизведены в лаборатории основные фазы глубинных минералов. Ядро Земли подразделяют на внешнее и внутренее. Внешнее ядро не пропускает поперечные сейсмические волны, следовательно, оно жидкое. Однако на глубине 5200 км вещество ядра вновь начинает проводить поперечные волны, но с низкой скоростью; это означает, что внутреннее ядро частично «заморожено». Плотность ядра ниже, чем была бы у чистой железо-никелевой жидкости, вероятно, из-за примеси серы.

Четверть марсианской поверхности занимает возвышенность Фарсида, поднявшаяся на 7 км относительно среднего радиуса планеты. Именно на ней расположено большинство вулканов, при формировании которых лава растекалась на большое расстояние, что характерно для расплавленных пород, богатых железом. Одна из причин огромного размера марсианских вулканов (крупнейших в Солнечной системе) состоит в том, что, в отличие от Земли, у Марса нет плит, движущихся относительно горячих очагов в мантии, поэтому вулканы долго растут на одном месте. У Марса нет магнитного поля и не обнаружена сейсмическая активность. В его грунте оказалось много окислов железа, что указывает на слабую дифференциацию недр.

Внутреннее тепло.

Конвекция в мантии.

Поразительно, что земная кора все еще выпрямляется, возвращаясь к прежней форме, которую она имела до последнего оледенения, закончившегося 10 000 лет назад. Изучив возраст поднявшихся берегов Скандинавии, Н.Хаскель вычислил в 1935, что вязкость земной мантии в 10²³ раз больше вязкости жидкой воды. Но и при этом математический анализ показывает, что земная мантия находится в состоянии интенсивной конвекции (такое движение земных недр можно было бы увидеть в ускоренном кинофильме, где за секунду проходит миллион лет). Аналогичные вычисления показывают, что конвективными мантиями, вероятно, обладают также Венера, Марс и, в меньшей степени, Меркурий и Луна.

Природу конвекции в газовых планетах-гигантах мы только начинаем разгадывать. Известно, что на конвективные движения сильно влияет быстрое вращение, которое существует у планет-гигантов, но экспериментально изучить конвекцию во вращающейся сфере с центральным притяжением очень нелегко. До сих пор наиболее точные эксперименты такого рода проводили в условиях микрогравитации на околоземной орбите. Эти опыты вместе с теоретическими расчетами и численными моделями показали, что конвекция происходит в трубках, вытянутых вдоль оси вращения планеты и изогнутых в соответствии с ее сферичностью. Такие конвективные ячейки за их форму прозвали «бананами».

Давление у газовых планет-гигантов изменяется от 1 бар на уровне верхушек облаков до примерно 50 Мбар в центре. Поэтому их основной компонент – водород – пребывает на разных уровнях в разных фазах. При давлении выше 3 Мбар обычный молекулярный водород становится жидким металлом, подобным литию. Вычисления показывают, что Юпитер в основном состоит из металлического водорода. А Уран и Нептун, по-видимому, имеют протяженную мантию из жидкой воды, также являющейся неплохим проводником.

Магнитное поле.

Уран и Нептун имеют одинаковые магнитные диполи с большим наклоном к осям планет и смещением относительно их центров; это указывает, что их магнетизм рождается в мантиях, а не в ядрах. Собственные магнитные поля имеют спутники Юпитера – Ио, Европа и Ганимед, а у Каллисто его нет. Остаточный магнетизм обнаружен у Луны.

Атмосфера.

У планет земного типа тонкий (0,1 км) слой атмосферы вблизи поверхности постоянно испытывает от нее нагрев или охлаждение, а при движении – трение и турбулентность (из-за неровностей рельефа); этот слой называют приземным или пограничным. У самой поверхности молекулярная вязкость как бы «приклеивает» атмосферу к земле, поэтому даже легкий ветерок создает сильный вертикальный градиент скорости, который может вызывать турбулентность. Изменение температуры воздуха с высотой контролируется конвективной неустойчивостью, поскольку снизу воздух нагревается от теплой поверхности, становится легче и всплывает; поднимаясь в области низкого давления, он расширяется и излучает тепло в космос, отчего охлаждается, становится плотнее и тонет. В результате конвекции в нижних слоях атмосферы устанавливается адиабатический вертикальный градиент температуры: например, в атмосфере Земли температура воздуха уменьшается с высотой на 6,5 К/км. Такая ситуация существует вплоть до тропопаузы (греч. «тропо» – поворот, «паузис» – прекращение), ограничивающей нижний слой атмосферы, называемый тропосферой. Именно здесь происходят те изменения, которые мы называем погодой. У Земли тропопауза проходит на высотах 8–18 км; у экватора она на 10 км выше, чем у полюсов. По причине экспоненциального уменьшения плотности с высотой 80% массы атмосферы Земли заключено в тропосфере. В ней же находится почти весь водяной пар, а значит, и облака, создающие погоду.

На Венере двуокись углерода и водяной пар вместе с серной кислотой и двуокисью серы поглощают почти все инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью. Это вызывает сильный парниковый эффект, т.е. приводит к тому, что температура поверхности Венеры на 500 К выше той, которую она имела бы при прозрачной для инфракрасного излучения атмосфере. Главными «парниковыми» газами на Земле служат водяной пар и двуокись углерода, повышающие температуру на 30 К. На Марсе двуокись углерода и атмосферная пыль вызывают слабый парниковый эффект всего в 5 К. Горячая поверхность Венеры препятствует выходу серы из состава атмосферы путем ее связывания в поверхностных породах. Двуокисью серы обогащена нижняя атмосфера Венеры, поэтому в ней на высотах от 50 до 80 км присутствует плотный слой сернокислотных облаков. Незначительное количество серосодержащих веществ обнаруживается и в земной атмосфере, в особенности после мощных вулканических извержений. В атмосфере Марса сера не зарегистрирована, следовательно, его вулканы в нынешнюю эпоху неактивны.

На Земле стабильное понижение температуры с высотой в тропосфере cменяется выше тропопаузы на рост температуры с высотой. Поэтому там существует чрезвычайно устойчивый слой, названный стратосферой (лат. stratum – слой, настил). Существование постоянных тонких аэрозольных слоев и длительное пребывание там радиоактивных элементов от ядерных взрывов служат прямым доказательством отсутствия перемешивания в стратосфере. В земной стратосфере температура продолжает расти с высотой вплоть до стратопаузы, проходящей на высоте ок. 50 км. Источником тепла в стратосфере служат фотохимические реакции озона, концентрация которого максимальна на высоте ок. 25 км. Озон поглощает ультрафиолетовое излучение, поэтому ниже 75 км почти все оно преобразуется в тепло. Химия стратосферы сложна. Озон в основном образуется над экваториальными областями, но его наибольшая концентрация обнаруживается над полюсами; это указывает, что на содержание озона влияет не только химия, но и динамика атмосферы. У Марса концентрация озона также выше над полюсами, в особенности над зимним полюсом. В сухой атмосфере Марса относительно мало гидроксильных радикалов (OH), разрушающих озон.

Температурные профили атмосфер планет-гигантов определены по наземным наблюдениям покрытий планетами звезд и по данным зондов, в частности, по ослаблению радиосигналов при заходе зонда за планету. У каждой из планет обнаружились тропопауза и стратосфера, выше которых лежат термосфера, экзосфера и ионосфера. Температура термосфер Юпитера, Сатурна и Урана соответственно составляет ок. 1000, 420 и 800 К. Высокая температура и относительно низкая сила тяжести на Уране позволяют атмосфере простираться до колец. Это вызывает торможение и быстрое падение пылевых частиц. Поскольку в кольцах Урана все же наблюдаются пылевые полосы, там должен быть источник пыли.

Хотя температурная структура тропосферы и стратосферы в атмосферах разных планет имеет много общего, их химический состав сильно различается. Атмосферы Венеры и Марса в основном состоят из углекислого газа, но представляют два крайних примера эволюции атмосферы: у Венеры атмосфера плотная и горячая, а у Марса – холодная и разреженная. Важно понять, придет ли в конце-концов земная атмосфера к одному из этих двух типов, и всегда ли эти три атмосферы были такими разными.

Судьбу исходной воды на планете можно выяснить, измеряя содержание дейтерия по отношению к легкому изотопу водорода: отношение D/H налагает ограничение на количество водорода, покидающего планету. Масса воды в атмосфере Венеры сейчас составляет 10^–5 от массы земных океанов. Но отношение D/H у Венеры раз в 100 выше, чем на Земле. Если вначале это отношение было на Земле и Венере одинаковым и запасы воды на Венере за время ее эволюции не пополнялись, то стократный рост отношения D/H на Венере означает, что когда-то на ней было раз в сто больше воды, чем сейчас. Объяснение этому обычно ищут в рамках теории «парникового улетучивания», которая утверждает, что Венера никогда не была достаточно холодной для конденсации воды на ее поверхности. Если вода всегда заполняла атмосферу в виде пара, то фотодиссоциация молекул воды приводила к выделению водорода, легкий изотоп которого улетучивался из атмосферы в космос, а оставшаяся вода обогащалась дейтерием.

Большой интерес вызывает сильное различие атмосфер Земли и Венеры. Считается, что современные атмосферы планет земного типа образовались в результате дегазации недр; при этом в основном выделялись пары воды и углекислый газ. На Земле вода сосредоточилась в океане, а двуокись углерода оказалась связанной в осадочных породах. Но Венера ближе к Солнцу, там жарко и нет жизни; поэтому углекислый газ остался в атмосфере. Пары воды под действием солнечного света диссоциировали на водород и кислород; водород улетучился в космос (земная атмосфера тоже быстро теряет водород), а кислород оказался связанным в горных породах. Правда, различие этих двух атмосфер может оказаться и более глубоким: до сих пор нет объяснения тому факту, что в атмосфере Венеры значительно больше аргона, чем в атмосфере Земли.

Поверхность Марса представляет сейчас холодную и сухую пустыню. В самое теплое время суток температура может слегка превышать нормальную точку замерзания воды, но низкое атмосферное давление не позволяет воде на поверхности Марса быть в жидком состоянии: лед сразу превращается в пар. Тем не менее, на Марсе есть несколько каньонов, напоминающих русла высохших рек. Некоторые из них, по-видимому, прорыты кратковременными, но катастрофически мощными потоками воды, тогда как другие демонстрируют глубокие овраги и разветвленную сеть долин, что указывает на вероятное длительное существование равнинных рек в ранние периоды истории Марса. Имеются также морфологические указания, что старые кратеры Марса разрушены эрозией значительно сильнее, чем молодые, а это возможно лишь в случае, если атмосфера Марса была гораздо плотнее, чем сейчас.

В начале 1960-х годов считалось, что полярные шапки Марса состоят из водяного льда. Но в 1966 Р.Лейтон и Б.Мюррей рассмотрели тепловой баланс планеты и показали, что двуокись углерода должна в большом количестве конденсироваться на полюсах, а между полярными шапками и атмосферой должен поддерживаться баланс твердой и газообразной углекислоты. Любопытно, что сезонный рост и сокращение полярных шапок приводят к колебаниям давления в марсианской атмосфере на 20% (к примеру, в салонах старых реактивных лай