SETI: Поиск Внеземного Разума: читать начало книги онлайн

2.1. Как устроена Вселенная

2.1.1. Солнечная система — дом, в котором мы живем.

Мы живем на поверхности планеты, которую называем Землей. С точки зрения нашего повседневного опыта, это огромный необычайно сложный и прекрасный мир. Если мы хотим посмотреть на Землю со стороны, нам придется отвлечься от многих дорогих нашему сердцу подробностей. Тогда Земля предстанет как космическое тело, приблизительно шарообразной формы, ее диаметр около 12,7 тыс. км, масса 6-10 кг . Земля вращается вокруг своей оси с периодом около 24 часов. Большая часть ее поверхности покрыта водами мирового океана, 29 % поверхности занимает суша.

Суша Земли образует пять континентов и множество мелких и больших островов. Наружная твердая оболочка Земли — земная кора в районе материков имеет толщину до 70 км, дно океанов образовано более тонкой океанической корой, ее толщина около 10 км. Под твердой корой Земли находится мантия, образованная расплавленным веществом, она состоит из нескольких слоев и простирается до глубины 2900 км. Еще глубже расположено плотное железо-никелевое ядро Земли. Наружные слои ядра — жидкие, центральная внутренняя часть — твердая. Давление в центре Земли достигает 33 • 10⁶ атм, температура около 6000 К. Вследствие вращения Земли вокруг своей оси в жидком ядре генерируются электрические токи, которые являются источником геомагнитного поля.

Рис. 2.1.1. Вид Земли из космоса. Видна только освещенная сторона

Над поверхностью мирового океана и континентов расположена воздушная оболочка Земли — ее атмосфера. Она простирается приблизительно до высоты 2000 км и постепенно переходит в межпланетную среду. Основные процессы, связанные с формированием погоды, протекают в нижней атмосфере Земли — тропосфере, ее толщина в средних широтах составляет 10-11 км. На высоте 60 км (в стратосфере) содержится значительное количество озона — озоновый слой, который поглощает большую часть жесткого ультрафиолетового излучения Солнца и таким образом предохраняет органическую жизнь на Земле от губительного действия УФ-радиации. На высоте нескольких сотен километров (от 80 до 800 км) простираются ионизированные слои земной атмосферы, так называемая ионосфера, которая эффективно отражает декаметровые радиоволны и обеспечивает тем самым дальнюю радиосвязь в диапазоне КВ. Атмосфера Земли в основном состоит из азота (78 %) и кислорода (21%); имеется также небольшое количество аргона (0,9 %), углекислого газа (0,03 %) и водяного пара (меньше 0,1%). Атмосфера Земли поглощает большую часть спектра электромагнитного излучения, падающего на нее из Космоса. Лишь в оптической области, приблизительно от 0,3 до 0,7 мкм, и в радиодиапазоне, от нескольких метров до 1 мм, атмосфера относительно прозрачна. Через эти два узких «окна прозрачности» и поступает на поверхность Земли все излучение из космического пространства.

Содержание свободного кислорода в атмосфере Земли целиком обусловлено жизнедеятельностью живых организмов. Таким образом, органическая жизнь на Земле выступает как активный геохимический фактор планетарного масштаба. В соответствии с этим область распространения активной жизни на Земле, охватывающая часть нижней атмосферы, гидросферу и верхнюю часть твердой оболочки, получила название биосфера[95]. Таковы некоторые черты Земли как планеты.

Ближайшее к Земле небесное тело — Луна. Это спутник нашей планеты. Она расположена на расстоянии 384 тыс. км (среднее расстояние) и обращается вокруг Земли с периодом 27,3 суток. Диаметр Луны в 3,5 раза меньше земного, а ее масса в 81 раз меньше массы Земли. Это мертвое, безжизненное тело, лишенное атмосферы и гидросферы. Несмотря на это, Луна оказывает заметное влияние на Землю. Прежде всего, благодаря гравитационному взаимодействию, она вызывает приливы в океане, атмосфере и твердой оболочке Земли. Имеются данные о том, что ритм жизнедеятельности земных организмов коррелирует с ритмом лунных приливов. Отмечена также корреляция процессов в биосфере с фазами Луны.

Земля с Луною обращаются вокруг Солнца по почти круговой орбите с периодом 365,26 суток (сидерический год). Всего в Солнечной системе 9 больших планет, — это (в порядке возрастания расстояний от Солнца): Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Расстояния в Солнечной системе принято выражать в астрономических единицах; 1 а. е. равняется среднему расстоянию от Земли до Солнца, 149,6 млн км. Ближайшая к Солнцу планета Меркурий обращается вокруг него на расстоянии 0,39 а. е., а самая удаленная планета Плутон — на расстоянии 39,4 а. е. Все планеты обращаются вокруг Солнца приблизительно в одной плоскости и в одном направлении, совпадающем с направлением вращения Солнца вокруг собственной оси. Основные характеристики планет приведены в таблице 2.1.1.

Расстояния планет от Солнца подчиняются определенной закономерности (так называемое правило Тициуса-Боде). Согласно этой закономерности, между Марсом и Юпитером должна быть еще одна планета. Но вместо нее там существуют целый рой малых тел — малых планет или астероидов. Орбиты большинства астероидов заключены в пределах от 2,17 до 3,64 а. е. (эту область Солнечной системы называют поясом астероидов), больше всего их на расстоянии 2,8 а. е., где, согласно правилу Тициуса-Боде, должна находиться несуществующая планета.

Рис. 2.1.2. Схема строения Солнечной системы. Показаны орбиты 9 больших планет и пояс астероидов между Марсом и Юпитером

Существовала гипотеза, согласно которой пояс малых планет образовался в результате взрыва планеты Фаэтон, обращавшейся по орбите между Марсом и Юпитером. Согласно современным взглядам, астероиды — остатки протопланетных тел, из которых могла сформироваться планета, однако процесс ее формирования не был завершен из-за гравитационных возмущений со стороны Юпитера.

К числу малых тел Солнечной системы относятся и коме ты. Время от времени эти небесные странницы появляются на нашем небосводе, создавая красочную картину и оставляя у людей неизгладимое впечатление, часто наполненное смутными предчувствиями каких-то грядущих событий. Ядро кометы представляет собой ледяное тело неправильной формы (ледяную глыбу) размером несколько сот километров, состоящую из замерзших газов (Н₂О, NH₃ , СО, и др.) с вкрапленными в лед минеральными частицами. Считается, что вещество ядра сохранилось от тех времен, когда происходил процесс формирования Солнечной системы, это остатки тех тел, из которых образовались планеты.

Кометные тела обращаются вокруг Солнца по очень вытянутым эллиптическим орбитам. Большую часть времени они находятся вдали от Солнца, образуя гигантское облако кометных тел, простирающееся на 100-150 тысяч а. е., которое называют облаком Оорта[96]. Вблизи афелия своих орбит кометные тела испытывают притяжение соседних с Солнцем звезд. Под действием этого притяжения орбиты их изменяются. Часть тел приобретает параболическую скорость и покидают Солнечную систему. Другие (их небольшое число) переходят на орбиту с перигелием, расположенным вблизи Солнца. Именно они и образуют кометы. Когда ядро кометы приближается к Солнцу, вначале с ним не происходит никаких заметных изменений. Но когда расстояние становится меньше 6 а. е., замерзшие газы в ядре кометы под действием солнечных лучей испаряются и образуют вокруг ядра туманную газопылевую оболочку — кому. Вместе с находящимся внутри ее ядром кома образует голову кометы, размеры которой достигают 10⁴—10⁵ км. Под действием светового давления и солнечного ветра вещество комы отбрасывается назад от Солнца и образует хвост, простирающийся на сотни миллионов километров. Пройдя через перигелий, комета удаляется от Солнца, хвост ее уменьшается, блеск слабеет, и, наконец, она совсем исчезает из виду. Когда комета проходит через области Солнечной системы, занятые планетами, кометное ядро вновь испытывает возмущения, но уже не от соседних звезд, а от планет. Часть комет под действием этих возмущений переходят на гиперболические орбиты и уходят из Солнечной системы, другие захватываются на менее вытянутые эллиптические орбиты. Такие кометы периодически возвращаются к Солнцу. Одна из самых известных периодических комет — комета Галлея, с периодом обращения примерно 76 лет, последнее прохождение ее было в 1986 г.

Рис. 2.1.3. Затменная комета 1948 года, открытая в момент полного солнечного затмения

В последнее десятилетие XX века были получены новые данные о строении внешних частей Солнечной системы[97]. В 1992 г. за орбитой Нептуна, на расстоянии 44,3 а. е. была открыта малая планета размером 283 км, которая обращается вокруг Солнца по почти круговой орбите (с очень малым эксцентриситетом). В следующем году была открыта вторая такая планета размером 286 км. А к середине 2002 г. число транснептуновых объектов достигло 500. Диаметр самого большого из них — около 1300 км, самого маленького — 96 км. По оценкам количество объектов за орбитой Нептуна размером более 100 км составляет 65 000. Но, конечно, там должны быть и более мелкие тела, количество которых значительно больше (уже открыты первые такие объекты размером от 6 до 10 км).

Все транснептуновые тела можно разделите на два класса. Объекты первого класса движутся по почти круговым орбитам, лежащим целиком за орбитой Нептуна. Это так называемые классические объекты пояса Койпера. Существование их было предсказано Дж. Койпером в 1951 г. как возможного источника короткопериодических комет. Большинство транснептуновых объектов (до 70 %) относится к этому классу.

В отличие от них объекты второго класса движутся по сильно эксцентричным орбитам и могут заходить внутрь орбиты Нептуна. Плутон принадлежит к этому классу (он также заходит внутрь орбиты Нептуна), поэтому все объекты второго класса получили название плутино, т. е. «маленькие плутончики». Все они, как и Плутон, находятся в резонансе с Нептуном, делая 2 обращения вокруг Солнца за 3 оборота Нептуна. Среднее расстояние всех плутино от Солнца примерно равно 39 а. е., а эксцентриситеты и, соответственно, расстояния в перигелии и афелии у различных плутино различны. К середине 2000 г. было открыто около 100 плутино, а общее число таких тел с размером больше 100 км оценивается в 25 000.

Помимо этих двух классов, за орбитой Нептуна находятся объекты, которые движутся по очень вытянутым эллиптическим орбитам и могут уходить далеко за орбиту Нептуна и Плузона. Примером может служить объект TL 66, открытый в 1996 г. Его размер 500 км, период обращения 1000 лет, и он удаляется от Солнца (в афелии) на 135 а. е. Количество подобных объектов оценивается в 10 000, а их общая масса может достигать от 0,5 до 1 массы Земли.

Еще один пояс малых тел расположен внутри орбиты Нептуна, между ним и Юпитером. Это так называемые кентавры. Первый кентавр был открыл в 1977 г. и получил название Хирон (не путать с Хароном — спутником Плутона!). В греческой мифологии Хирон — имя одного из кентавров (получеловека, полулошади). Название объекта «Хирон» было оправдано тем, что он сочетал в себе свойства астероидов и комет. Так в 1996 г., находясь весьма далеко от Солнца, Хирон проявил активность кометного типа: у него появились кома и хвост. Впоследствии другие объекты, подобные Хирону, стали называть «кентаврами». К середине 2000 г. было известно около 20 кентавров. Считается, что они попали в область между орбитами Юпитера и Нептуна из пояса Койпера. Это подтверждает предположение о том, что пояс Койпера является источником периодических комет. Расположение некоторых транснептуновых тел и «кентавров» показано на рис. 2.1.4.

Рис. 2.1.4. Положение транснсптуновых объектов и малых тел из семейства «кентавров» в проекции на плоскость эклиптики по данным на октябрь 1997

Но вернемся вновь к большим планетам. Они делятся на две группы: земная группа — Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Плутон занимает особое положение: по своим характеристикам он больше похож на спутники планет-гигантов или на плутино.

Рассмотрим планеты земной группы. Все они имеют твердые оболочки; наиболее обильные химические элементы в твердой оболочке: железо, кислород, кремний, магний. Жидкая оболочка — гидросфера имеется только у Земли. На Марсе жидкой воды нет, но есть лед Н₂О в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Венера, Земля и Марс окружены газовой атмосферой. Особенно мощная атмосфера у Венеры, давление ее у поверхности планеты составляет 90 атм, у Земли — 1 атм, у Марса — 0,006 атм. Основные компоненты атмосферы на Венере и Марсе — углекислый газ и азот (на Земле — кислород и азот). У Меркурия атмосферы практически нет. Жидкое ядро имеется у Меркурия, Венеры и Земли, у Марса оно, по-видимому, отсутствует. Все планеты земной группы имеют слабое магнитное поле, у Меркурия оно в 100 раз слабее земного, у Марса — в 10⁴ раз слабее, у Венеры — в 10⁵ раз.

Температура на поверхности Меркурия в полдень составляет 750 К (477 °C), а в полночь падает до 100 К (-173 °C); на Венере, под ее мощной атмосферой, создающей сильный парниковый эффект, средняя температура поверхности 735 К (462 °C); на Марсе в полдень температура достигает 280 К (7 °C), а в полночь составляет 150 К (—123 °C). Сезонные вариации температуры возникают из-за наклона плоскости экватора планеты к плоскости ее орбиты; помимо Земли они еще имеют место на Марсе и практически отсутствуют на Венере. На Меркурии сезонные изменения температуры связаны с заметной эллиптичностью его орбиты: в перигелии он получает вдвое больше тепла, чем в афелии.

[95] Этот термин был введен Э. Зюссом в 1875 г., а учение о биосфере было создано выдающимся российским ученым В. И. Вернадским в 1926 г.

[96] Согласно Ф. А. Цицину, облако (или, точнее, рой) реликтовых кометных тел простирается на значительно большее расстояние, вплоть до 100 св. лет, захватывая окрестности соседних звезд; напомним, по расстояние между звездами вблизи Солнца порядка нескольких световых лет (См. Цицин Ф.А. Происхождение комет: новый взгляд на старую проблему // Земля и Вселенная. 1999. № 1. С. 60-69.) Если это так, и если у других звезд имеются подобные рои кометных тел, то они взаимно пронизывают друг друга и могут быть источником хотя и редкого, но все же взаимообмена кометными телами.

[97] Уральская В.С. Внешние области Солнечной системы //Земля и Вселенная. 1999. №5. С. 20-27.