·

Строение солнечной системы, ее закономерности и аномалии

Строение солнечной системы, ее закономерности и аномалии

Большое разнообразие тел, входящих в состав солнечной системы, — планеты с их спутниками, астероиды, кометы, метеориты и метеорные потоки, межпланетная среда — связывается в единое динамическое целое нашим Солнцем, представляющим типичную звезду с эффективной температурой около 6000° и с массой в 2∙1033 г, что примерно в 330 000 раз больше массы нашей Земли. По сравнению с другими звездами Солнце не выделяется своей массой и излучением и находится примерно в средней части статистической кривой «главной последовательности», представляющей распределение звезд по их абсолютным светимостям и спектральным типам, эквивалентным эффективным температурам.

Объем пространства, в котором солнечное гравитационное притяжение преобладает еще над притяжением других звезд и прежде всего над притяжением массивного галактического ядра, довольно велик. Радиус его, согласно недавнему исследованию Г. А. Чеботарева, превышает сто тысяч радиусов земной орбиты, и этим определяются границы солнечной системы. Во внешних частях этой области поток радиации от Солнца уже ничтожно мал, а потому температурные условия фактически не отличаются от таковых в общей межзвездной среде. Здесь могут поэтому образовываться и существовать неопределенно долгое время различные неустойчивые, главным образом углеводородные соединения и возникать небольшие конденсации на основе преимущественно углеродных пылинок, присутствующих в большом количестве в межзвездной среде.

Подобными неполными углеводородными соединениями изобилуют, как известно, ядра комет, заселяющих, возможно, с самого возникновения солнечной системы эти внешние ее области. Приближаясь к Солнцу под действием звездных возмущений и иногда улавливаясь планетами, кометы быстро перестают существовать, как индивидуальные тела. Иногда достаточно одного лишь приближения к Солнцу, чтобы комета распалась на ряд отдельных частей и даже образовала метеорные потоки.

Подобный распад комет происходит не только в непосредственной близости к Солнцу, но даже довольно далеко за пределами земной орбиты. Вообще, как известно, все периодические кометы, даже сравнительно с большим периодом обращения, вроде кометы Галлея, после каждого обращения вокруг Солнца более или менее заметно уменьшают свою яркость.

Это показывает, что кометные массы чрезвычайно малы (в случае наибольших комет масса определялась всего лишь в одну миллиардную долю массы Земли) и, кроме того, что кометы состоят в значительной мере из очень неустойчивых соединений, способных даже на расстоянии Земли от Солнца бурно испаряться и давать значительные выбросы вещества.

Солнечная система определенно разделяется на две совершенно отдельные области — внешнюю, которая по своим свойствам мало отличается от межзвездной среды и вполне пригодна для обитания обширного кометного роя, и внутреннюю, где находятся и длительно существуют планеты и их спутники, а кометы могут проникать лишь на очень короткое время, быстро подвергаясь полной дезагрегации. Весь этот кометный рой действительно принадлежит солнечной системе, так как ни одна из известных комет не движется по гиперболической орбите — все они вращаются вокруг Солнца по вытянутым эллипсисам. Естественно, что кометы, образовавшись по всей очевидности одновременно с другими телами солнечной системы, сохраняют с ними определенное сходство. Так, например, особый вид метеоритов — углистые хондриты, содержат наряду с хондрами — мелкими минеральными шариками кристаллического строения также различные углеводородные соединения и значительный процент связанной воды. По своему составу больше всего им родственны кометы, хотя все метеориты обычно рассматриваются как продукты распада астероидов или малых планет солнечной системы. Это сходство получает тем большее значение, что, как это было констатировано на основании избыточного содержания изотопа ксенона-129, являющегося продуктом распада короткоживущего изотопа йода-129, именно хондры углистых метеоритов являются наиболее древними веществами солнечной системы. Кроме того, в последнее время ряд исследователей пришел к заключению, что именно углистые хондриты послужили материалом, из которого образовались различные планеты, в том числе наша Земля.

Физические свойства разных космических тел в значительной мере зависят от условий их образования. Хотя проблема происхождения солнечной системы еще далеко не может считаться разрешенной, тем не менее можно указать ряд фактов, установленных в недавнее время и имеющих прямое отношение к данному вопросу.

Можно, например, утверждать, что Солнце образовалось примерно одновременно с планетами и, следовательно, из того же вещества в едином процессе звездообразования, который, как известно, происходит и в настоящее время в разных частях нашей галактической системы. Далее, это возникновение солнечной системы должно было иметь место около пяти миллиардов лет тому назад, как это вытекает из определения возрастов метеоритного или астероидального вещества, т. е. промежутка времени после полного отвердения вещества астероидов. Из детального разбора эволюции звезд разных типов и галактических звездных скоплений можно заключить, что возраст нашей галактической системы, как одного организованного целого, составляет не менее 12 миллиардов лет, а по некоторым авторам, даже около 20 миллиардов лет. Поэтому наше Солнце с окружающими планетами возникло как звезда отнюдь не первого поколения, а значительно позже начала процесса звездообразования, когда межзвездная среда уже достаточно сформировалась и обогатилась пылевой материей, как можно предполагать, углеродного состава, в результате выброса вещества из атмосфер красных гигантов. В подобной среде и в настоящее время продолжается процесс звездообразования, и это позволяет легче понять также и процесс образования нашего Солнца.

В течение длительного существования нашей Галактики в ней непрерывно происходят два тесно связанных между собой процесса — образование звезд различных масс и вместе с тем образование элементов все более тяжелого атомного веса.

Излучение звезды, представляющее самую характерную ее особенность, связано с постоянным построением более тяжелых элементов и освобождением энергии в результате некоторого дефекта массы получающегося более тяжелого изотопа по сравнению с исходными более легкими изотопами. В обычных звездах, вроде Солнца, звездах так называемой главной последовательности, этот процесс идет медленно и постепенно, вследствие чего они отличаются очень большой устойчивостью и длительностью существования. Однако в таких звездах построение более тяжелых ядер из исходных протонов и нейтронов не идет дальше неона, т. е. атомного веса около 20—22. Построение более тяжелых элементов естественно требует и все более высоких давлений и температур, что достигается уже при израсходовании первоначального запаса водорода и с переходом в качестве ядерного топлива к гелию. Процесс образования элементов происходит при этом значительно быстрее, но все же и в этих относительно стабильных звездах, относящихся к разряду красных гигантов, наиболее тяжелые элементы все еще возникнуть не могут. Требуются совершенно экстраординарные явления, как вспышки сверхновых звезд, происходящие в настоящее время среди ста миллиардов звезд нашей Галактики в среднем лишь один раз за триста лет, чтобы при возникающих при этом огромных давлениях и температурах получились бы наиболее тяжелые, в том числе радиоактивные, элементы, которые в значительной мере разносятся ударными волнами по окружающему космическому пространству.

Предполагая, что подобные процессы происходили более или менее постоянно в течение существования галактической системы, можно найти путем сравнения между собой обилия различных радиоактивных изотопов, что последний этап в образовании тяжелых элементов, вошедших в состав Земли и планет, имел место около пяти миллиардов лет тому назад, т. е. почти в точности в эпоху образования Солнца и планет. Отсюда можно сделать вероятное заключение, что основным фактором, определившим быструю конденсацию межзвездной среды с выделением достаточно уплотненного протопланетного облака была именно вспышка Сверхновой. Можно указать некоторые интересные примеры аналогичных явлений, происходящих и в настоящее время.

Как указывалось выше, во внутренних областях солнечной системы расположены планеты, подчиняющиеся определенным закономерностям. Все они движутся приблизительно в плоскости эклиптики, причем орбита наибольшей планеты — Юпитера, масса которой в 318 раз больше земной, отклоняется от этой плоскости совершенно незначительно, орбита же наименьшей планеты — Меркурия — больше, чем на 7 градусов.

Все планеты, включая даже такие сравнительно малые тела, как астероиды, обращающиеся главным образом между орбитами Марса и Юпитера, движутся только в прямом направлении, и в этом заключается их существенное отличие от комет, которые с одинаковой вероятностью имеют как прямое, так и обратное движение вокруг Солнца при самых разнообразных углах наклона к эклиптике.

Давно уже было обращено внимание на то, что относительные размеры планетных орбит подчиняются также определенной закономерности, что довольно формальным образом выражается так называемым законом Тициуса — Боде, эмпирической формулой, выведенной еще в 1766 г., т. е. в то время, когда самые внешние планеты — Уран, Нептун и Плутон еще не были открыты. Теперь было бы точнее сказать, что ход планетных расстояний зависит не только от их порядкового номера, но также и от планетных масс. Действительно отношение расстояний Меркурия (0,4), Венеры (0,7), Земли (1,0) и Марса (1,52) — планет земного типа, незначительных по своей массе, составляет примерно 1,5; отношение расстояний от Солнца крупных планет — Юпитера (5,2), Сатурна (9,5) и Урана (19,2) составляет примерно 2, далее же к окраинам планетной системы — к орбитам Нептуна (30,0) и Плутона (39,5) это отношение снова снижается.

Подобные закономерности находят себе истолкование в различных космогонических гипотезах, предполагается ли при этом, что планеты произошли путем объединения множества отдельных твердых частиц, независимо обращающихся первоначально вокруг Солнца, или получились в результате местных конденсаций в среде достаточно уплотненного протопланетного газово-пылевого облака, при условии выполнения критерия устойчивости Роша.

Также довольно явственно проявляются закономерности в физических свойствах планет в зависимости от их масс и расстояний от Солнца, хотя это менее поддается количественному выражению. Планеты большей массы, очевидно, были более способны удержать около себя легкие газы и потому, несмотря на большее давление в центре, отличаются гораздо меньшей средней плотностью, чем планеты земного типа. Например, Сатурн массой в 95 раз больше Земли имеет среднюю плотность, равную 0,69 г/см3, т. е. гораздо меньше плотности воды, а сравнительно небольшая Земля — среднюю плотность 5,52.

Вместе с тем планеты, расположенные поблизости к Солнцу и подверженные его сильному облучению, что, очевидно, сказывалось уже в процессе их формирования, также имеют относительно большую плотность. Так, например, Меркурий, температура поверхности которого на стороне, обращенной к Солнцу, превосходит 600° К, отличается средней плотностью в 5,3, т. е. почти такой же, как и несравненно более массивная, но вместе с тем и более отдаленная Земля. Влияние солнечного нагрева сказывается еще более резко в наличии и свойствах планетных атмосфер. Меркурий, как известно, фактически лишен всякой воздушной оболочки, но спутник Сатурна — Титан с массой в 2,3 раза меньше Меркурия окружен довольно плотной атмосферой, показывающей резкие спектральные полосы метана.

Вместе с тем планетная система изобилует рядом несоответствий и аномалий. Общая плоскость планетных движений заметно отклоняется от плоскости солнечного экватора (наклон экватора Солнца к эклиптике составляет 7,2°), и вращательный момент самого Солнца чрезвычайно мал по сравнению с суммарным орбитальным моментом планетных движений. Это обстоятельство говорит против того, что планетные конденсации могли когда-либо отделяться от первоначального Солнца, как это предполагал Лаплас. Нужно считать, что, хотя Солнце и планеты образовались из того же протопланетного облака, образование Солнца соответствовало первой стадии конденсации, когда происходило объединение конденсаций с прямыми и обратными движениями вокруг определившегося общего центра тяжести, причем должна была выделиться значительная центральная масса именно с небольшим результирующим вращательным моментом.

Образование же планет соответствовало второй стадии формирования планетной системы, когда остались лишь первичные конденсации только с прямыми движениями, постепенно объединявшиеся в более крупные тела. При этом могли возникнуть заметные различия во вращательных моментах отдельных планет, составляющих, вообще говоря, лишь ничтожную долю их общего орбитального момента (например, вращательный момент Земли даже при ее первоначальном периоде вращения в 4,5 часа составляет лишь одну тридцатимиллионную долю ее орбитального момента). Вследствие этого оказалось, что даже сходные между собой планеты все же сильно отличаются своим вращением вокруг оси.

Наиболее разительным примером подобного резкого несоответствия служат Земля и Венера — две соседние и подобные по своим массам планеты. Земля отличается значительным магнитным полем, резко выраженными поясами радиации и, учитывая орбитальное движение Луны, относительно большим вращательным моментом.

В первую эпоху существования Земли, когда Луна находилась к ней значительно ближе, чем теперь, период вращения нашей планеты составлял всего около четырех с половиной часов. Можно даже отметить, что по всей вероятности земное протопланетное сгущение вследствие своего большого вращательного момента с самого начала должно было разделиться на два отдельных тела — Землю и Луну и тем самым обеспечило свою устойчивость и возможность дальнейшей эволюции.

Напротив того, как несомненно показал космический спутник Маринер-2, запущенный в 1962 г., Венера лишена всякого заметного магнитного поля, а также пылевого космического облака, свойственного Земле, не имеет никаких спутников и ее вращательный момент крайне мал и, может быть, даже отрицателен. Тщательные наблюдения в течение последних двух столетий, производимые сначала визуально, затем также фотографически, спектрографически, наконец, при помощи радиотелескопов, показали в конечном счете, что вращение Венеры крайне медленно и, возможно даже, совершается в обратном направлении.

Кроме того, прямое зондирование ее поверхности радиоизлучением, свободно проходящим через ее облачный слой, несомненно, показало отсутствие полос поглощения водяного пара, хотя последние спектроскопические наблюдения показывают наличие над облачным слоем небольшого количества водяных паров. Отсутствие водных бассейнов на Венере вполне согласуется с высокой температурой ее поверхности, примерно одинаковой на ее светлой и темной стороне и доходящей до 600° К — температуры плавления свинца. Наблюдаемая огромная температура поверхности Венеры, возможно, зависит не от нагрева ее Солнцем, а от чисто внутренних причин. Быть может, что термохимическая эволюция этой планеты пошла совершенно по другому пути, чем это имело место с нашей Землей.

Физические свойства других планет не представляют, по-видимому, никаких явных аномалий. Вполне естественно, что такие малые тела, как астероиды, с максимальным диаметром в 740 км (Церера) не имеют никаких атмосфер, но представляется любопытным, что почти все они вращаются, как показывают колебания их блеска, с небольшими периодами в 4—7 часов. Наименьшая планета солнечной системы — Меркурий, к тому же самая близкая к Солнцу, может иметь, как показывают недавние исследования, лишь ничтожные признаки атмосферы, преимущественно из аргона-40, который, будучи тяжелым газом, неизбежно выделяется из планетных недр в результате радиоактивного распада калия-40.

Марс с массой в 9,3 меньшей земной, естественно, имеет лишь очень разреженную атмосферу, по-видимому, состоящую из азота, аргона и углекислоты, в которой до сих пор не было возможно найти каких-либо следов кислорода, но наличие водяных паров несомненно доказано и по интенсивностям соответствующих спектральных линий определено в 0,015 мм в вертикальном столбе атмосферы. Поскольку экватор Марса наклонен к плоскости его орбиты на 25°, т. е. почти так же, как и в случае Земли, на нем происходят аналогичные сезонные изменения, проявляющиеся в изменении полярных шапок и распространении потемнений от соответствующего полюса к экватору. Наиболее простая интерпретация подобных явлений заключалась в предположении о быстром развитии растительности (П. Ловелл, Г. А. Тихов и другие), но в настоящее время это представляется все менее вероятным.

Большую загадку представляют спутники Марса, в особенности ближайший к нему Фобос с периодом обращения всего лишь в 7,66 часа, что значительно короче марсианских суток. Наблюдения показывают, что обращение Фобоса постепенно ускоряется, а именно, согласно Шарплессу, на 0,001882 секунды в год, что может происходить только вследствие непрерывного приближения его к планете. Следовательно, в конце концов Фобос должен упасть на ее поверхность. Какова причина этого удивительного явления? Это еще не разрешено, но, по-видимому, причина заключается не в торможении Фобоса в марсианской атмосфере или в окружающей его среде, а скорее в приливном воздействии всей его массы. Если это верно, то внешний спутник Марса — Деймос, обращающийся с периодом несколько больше марсианских суток, должен, наоборот, отдаляться в результате того же приливного действия, что могло бы быть проверено наблюдениями.

Юпитер, наибольшая планета в солнечной системе, состоит, как и нужно было ожидать, преимущественно из легких элементов, наиболее распространенных в космосе, и в этом отношении не отличается от Солнца. Его атмосфера, простирающаяся выше облачного слоя, состоящего из сконденсированного аммиака и других элементов, состоит почти исключительно из молекулярного водорода, хотя газообразный метан и аммиак также обнаруживаются производимыми ими полосами поглощения.

Мало понятно, какова причина бурных атмосферных течений, резкого изменения ширины и интенсивности темных полос, параллельных экватору планеты, и особенно какова природа так называемого красного пятна — образования эллиптической формы, расположенного среди южных тропических полос и оказывающего на них какое-то отталкивательное действие. Применение радиометодов немедленно повело к открытию ряда новых принципиально важных фактов относительно природы Юпитера. В то время как на миллиметровых волнах наблюдаемое излучение вполне соответствует обычному термическому, т. е. температуре около — 130°С, при увеличении длины волны радиационная температура быстро возрастает и на метровых волнах доходит до нескольких тысяч градусов, явно оказываясь не термической природы.

Поскольку при этих длинах волн видимые размеры планеты также возрастают и доходят до нескольких ее диаметров, очевидно, что Юпитер, подобно Земле, окружен протяженными поясами радиации и обладает интенсивным магнитным полем. Помимо этого, в отдельных точках его поверхности обнаруживаются источники радиоизлучения с собственным периодом суточного вращения и совершенно не зависящие от солнечной активности. Юпитер обнаруживает, таким образом, источники радиации неизвестной природы, которые каким-либо образом связаны, по-видимому, с его внешними-слоями.

Система спутников Юпитера представляет большие аномалии. Помимо пяти регулярных спутников (ближайший спутник, открытый Бернардом в 1894 г., и четыре Галилеевских спутника, почти видимых невооруженным глазом), Юпитер имеет еще 7 очень слабых спутников, явно разделяющихся на две группы. К первой принадлежат спутники № 6, 7 и 10 со средней наклонностью в 28°, ко второй — спутники № 7, 9, 11 и 12 со средней наклонностью в 150° к экватору планеты. Интересно, что все спутники, входящие в соответствующую группу, обращаются вокруг планеты примерно на одинаковом расстоянии — в первой группе на 16,4, во второй на 31,6 его радиусов. Механизм образования подобных спутников еще далеко не выяснен.

Можно указать и ряд других пока еще необъяснимых аномалий в строении отдельных частей солнечной системы (десятый спутник Сатурна, обратное движение спутника Нептуна, в то время как сама планета имеет прямое вращение, особенности Плутона и т. п.). Все подобные факты представляют исключительно большой интерес для лучшего познания прежней истории солнечной системы.

Похожие записи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *