Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 4.4.3 Як утворилося сімейство планет

Протягом останніх трьохсот років, починаючи від Рене Декарта, було висловлено кілька десятків космогонічних гіпотез, у яких розглядалися найрізноманітніші варіанти ранньої історії Сонячної системи.

Теорія, яка розглядає походження планетної системи, повинна пояснити:

1) чому орбіти всіх планет лежать практично в площині сонячного екватора;

2) чому планети рухаються навколо Сонця по орбітах, які є близькими до колових;

3) чому напрямок обертання навколо Сонця однаковий практично для всіх планет і збігається з напрямком обертання Сонця і власним обертанням планет навколо осі;

4) чому 99,8 % маси Сонячної системи припадає на Сонце, тоді як 98 % моменту кількості руху всієї Сонячної системи — на планети;

5) чому планети поділяються на дві групи, які чітко відрізняються між собою середньою щільністю?

І, насамперед, необхідно вирішити питання: звідки взялася речовина, з якої згодом сформувалися планети? Тут можливі три варіанти:

1) планети утворилися із тієї ж газово-пилової хмари, що і Сонце (Кант);

2) цю хмару захопило Сонце, обертаючись навколо центра Галактики (Шмідт);

3) вони відокремилося від Сонця (Лаплас, Джине).

Отже, припускають, що близько п'яти мільярдів років тому у витягнутій газово-пиловій хмарі, пронизаній магнітними силовими лініями, утворилося згущення — протосонце, яке повільно стискалося. Інша частина хмари з масою приблизно в 10 разів меншою повільно оберталася навколо нього. У результаті зіткнень атомів, молекул і частинок пилу туманність сплющувалася й розігрівалася. Так навколо про-тосонця утворився витягнутий диск, пронизаний магнітним полем.

Під дією тиску легкі хімічні елементи водень і гелій залишали близькі околиці Сонця. У кінцевому підсумку це і зумовило істотні відмінності в хімічному складі планет і їх поділ на дві групи.

Коли диск, складений із пилу, досягнув критичної густини, він почав розпадатися на окремі згущення.

Увесь цей час протосонце виявляло високу активність. Унаслідок могутніх спалахів воно викидало потоки заряджених частинок, які, рухаючись уздовж магнітних ліній, переносили момент кількості руху від Сонця до протопланетної хмари. Крім того, стикаючись, частинки спричинювали ядерні реакції.

У результаті зіткнень відбувалося збільшення одних і дроблення інших згущень.

Розрахунки показують, що формування Землі продовжувалося близько 100 мільйонів років.

Випадання окремих згущень на Землю і її стиснення зумовили поступове розігрівання земних надр. На початку формування Землі температура в її ядрі не перевищувала 800 К, на поверхні — 300 К, але в результаті процесів радіоактивного розпаду, що супроводжувалися виділенням енергії, окремі зони розігрівалися до температури плавлення. При цьому важкі сполуки й елементи опускалися вниз, а легкі піднімалися нагору.

На ранній стадії протоземля була оточена хмарою невеликих супутників, з яких згодом сформувався Місяць.

Аналогічно формувалися й інші планети.

4.4.4 Планети

Земля

Земля має форму, близьку до еліпсоїда обертання. Екваторіальний радіус Землі дорівнює 6378,16 км, полярний радіус — 6356,78 км. Складовими частинами нашої планети є:

1) внутрішнє ядро, радіус якого близько 1300 км; у ньому речовина згідно з останніми даними перебуває у твердому стані;

2) зовнішнє ядро, радіус якого дорівнює приблизно 3400 км; тут, у шарі товщиною близько 2100 км, речовина перебуває в рідкому стані;

3) оболонка (мантія) товщиною близько 2900 км;

4) кора, товщина якої становить 4 - 8 км під океанами і 30-60 км під материками.

Кора й мантія розділені так званою поверхнею Мохоровичича, на якій густина речовини різко зростає від 3,3 до 5,2 г/см3. На багато питань, що стосуються глибоких надр Землі, відповідей поки що не знайдено.

У земному ядрі містяться джерела магнітного поля Землі. Припускають, що геомагнітне поле зумовлене електричними струмами, що циркулюють у зовнішньому ядрі; ці струми виникають унаслідок гідродинамічних рухів у рідкому провідному ядрі.

Силові лінії магнітного поля Землі утворюють своєрідні "пастки" для заряджених частинок, що рухаються до неї. Затримані магнітним полем Землі, ці частинки формують величезні радіаційні пояси, що охоплюють нашу планету вздовж геомагнітного екватора. Виявлено три таких пояси радіації: перший — на висоті від 2400 до 5600 км, другий — від 12000 до 20000 км і третій — на висоті від 50 до 60 тисяч кілометрів.

Заряджені частинки, джерелом яких є переважно Сонце, "ковзаючи" уздовж магнітних силових ліній, проникають в атмосферу біля полюсів Землі. Зіштовхуючись з атомами й молекулами атмосфери, вони збуджують світіння, яке ми спостерігаємо як .полярні сяйва вражаючої краси.

Рідка оболонка Землі, що покриває 70,8 % її поверхні, називається гідросферою. В океанах міститься ~ 97 % світових запасів води.

За сучасними уявленнями, наявність великих водойм на Землі відіграла вирішальну роль у виникненні життя на планеті.

Частина води, об'єм якої близько 24 млн. км3, перебуває у твердому стані (лід). Якби цей лід розтанув, то рівень Світового океану піднявся б на 62 м.

З водою, а точніше, з водяною парою, пов'язаний так званий парниковий ефект. Справа в тому, що сонячне випромінювання, максимум якого припадає на довжину хвиль порядку 0,55 мкм, майже не поглинаючись, проходить через атмосферу, досягає поверхні і нагріває її. Така ж кількість енергії випромінюється й поверхнею Землі, але переважно в інфрачервоній частині спектра. Випромінювання цих довжин хвиль значною мірою поглинається водяною парою й частково перевипромінюється назад у напрямку до земної поверхні. У результаті температура поверхні Землі має вишу температуру, ніж вона повинна була б мати за відсутності атмосфери.

Місяць

Місяць — найближче до Землі небесне тіло. Температура на місячному екваторі коливається від + 160 *С удень до -130 °С уночі. Тривалість місячної доби становить 29,5 земних.

Навіть неозброєним поглядом на Місяці добре помітно світлі ділянки ("материки"), що займають 60 % місячного диска, і "моря" — 40 %. Найефектнішими деталями місячного рельєфу є кільцеві гори. Найбільші з них, які мають діаметр понад 35 км, звичайно, називають місячними цирками. Найбільший місячний цирк — цирк Гримальді — має діаметр 235 км. Менші за розмірами кільцеві гори називають кратерами. На видимій стороні Місяця нараховується близько 300000 кратерів.

Місячні кратери оточені кільцевим валом, який має висоту від 300 до 7000 м. Вал, пологий зовні, круто обривається всередину.

Великі темні плями — це місячні моря. Найбільші з них — Море Ясності і Море Спокою.

Для пояснення походження місячних кратерів і цирків висунуто дві гіпотези вулканічну й метеоритну.

Зразки місячних порід складаються із тих же хімічних елементів, що і земні породи. Дослідження зразків місячних порід, доставлених на Землю, показало, що їх вік коливається в межах від 3*13 до 4,4 мільярдів років, тобто Місяць і Земля утворилися приблизно в один і той самий час. Вулканічні явища на Місяці припинилися близько З мільярдів років тому.

Атмосфера на Місяці відсутня.

Меркурій

За своїми розмірами ця найближча до Сонця планета лише ненабагато більша від Місяця. Рухається вона навколо Сонця по витягнутій еліптичній орбіті. Протягом 176 земних діб Меркурій робить два оберти по орбіті й один оберт навколо Сонця. Іншими словами — одна доба на цій планеті триває два її роки.

Поверхня Меркурія щедро всіяна кратерами, як і на Місяці. '

За допомогою "Маринера-10" було встановлено наявність атмосфери, правда, дуже розрідженої, що складається, в основному, з гелію.

Температура поверхні планети на боці, повернутому до Сонця, дуже висока (+ 420 °С), уночі вона зменшується до -180 °С.

Супутників Меркурій не має.

Венера

Це найближча до нас планета, щільно огорнута хмарами. Тривалий час вона була для нас "планетою загадок". Тільки в 1966 р. було встановлено, що період її осьового обертання дорівнює 243,16 доби, причому обертання відбувається не як у всіх інших планет, а у зворотному напрямку. Період обертання Венери навколо Сонця становить 224,7 земної доби.

Венера — найяскравіше небесне світило після Сонця й Місяця. У максимумі блиску вона в 12 разів яскравіша за Сиріус. Венера має атмосферу. Планета огорнута щільною завісою білих хмар, які відбивають близько 59 % потрапляючого на неї сонячного світла. Вимірювання показали, що товщина хмарного покриву Венери досягає 30-60 км. Про хімічний склад хмар відомо далеко не все. Припукають, що в них є концентрована сірчана кислота, сполуки ртуті із сіркою або з хлором. Висока температура поверхні (~ 500 °С) установилася на ній, очевидно, унаслідок парникового ефекту. За допомогою радіолокаційних методів вивчаються й окремі деталі планети. Було встановлено - цікавий факт - що Венера, як і Місяць, вкрита кратерами. Супутників у Венери немає.

Марс

Ця загадкова Червона Планета хвилювала людство з кінця XIX століття — з того часу, як італійський астроном Джованні Шипереллі побачив у свій телескоп канали. Ці канали протягом десятиліть викликали суперечки про те, є на Марсі життя чи немає. "Канали Марса, вірніше, їх тлумачення підвищують кров'яний тиск не в одного астронома. І в наш час є багато людей, які вірять у те, що на Марсі існує життя або гаряче бажають цього" (У. Р. Корлісс, США). Пройшло більш як сто років із часу відкриття марсіанських каналів, і людська фантазія прикрашала відтоді Марс дивними формами життя. На жаль, насправді все виявилося набагато прозаїчніше.

За розмірами Марс майже вдвічі менший за Землю, а за масою — у дев'ять разів. Навколо Сонця планета обертається за 687 земних діб, навколо своєї осі — за 24 години 37 хвилин. На Марсі відбувається регулярна зміна пір року, як і на Землі.

Дві третини поверхні Марса займають світлі ділянки, які називають материками, інші темні ділянки дістали назву морів. Поблизу полюсів восени утворюються білі плями — полярні шапки, які зникають на початку літа. Температура на поверхні коливається від +30 °С удень до -80 °С уночі.

Атмосферний тиск біля поверхні Марса майже в 160 разів менший від земного. До складу атмосфери входять вуглекислий газ, кисень, азот, аргон, водяна пара і двоокис вуглецю.

Поверхня Марса всіяна кратерами. У Марса є два дуже маленькі супутники — Фобос і Деймос, які подібно до Місяця завжди повернуті до Марса одним боком.

Більш як двадцять експедицій було споряджено до Марса, одержано величезний обсяг інформації, але вчені і дотепер не припиняють пошук свідчень існування життя на Марсі в минулому.

За багатьма ознаками Земля і Марс між собою дуже схожі. Обидві планети мають шапки з льоду на полюсах, на обох планетах спостерігаються вітер і пил, є система каньйонів. Припускають, що вода — основа життя на Землі — була колись і на поверхні Марса. Те, що в рідкому стані її там зараз немає, найімовірніше, є наслідком тонкої атмосфери й низького тиску. Завдання майбутніх експедицій — зібрати колекції зразків порід та дослідити їх на наявність свідчень про давнє життя.

Першу космічну експедицію до Марса спорядили радянські вчені в 1960 році. Завдяки міжнародним програмам "Марс", "Вікінг", "Фотон", "Маринер" було одержано величезний обсяг інформації.

У липні 2003 року стартував космічний корабель, який доставив на поверхню Марса роботів "Спірит" та "Опотьюніті".

Наступні експедиції заплановано на 2005,2007 і 2009 роки.

Юпітер

Це найбільша планета Сонячної системи; вона в 317,84 рази перевершує нашу Землю за масою. Доба на Юпітері триває всього 9 годин 50 хвилин. Період обертання навколо Сонця становить 11,8 року.

На Юпітері добре помітні світлі й темні смуги. Головною деталлю поверхні є Велика Червона Пляма (ВЧП). Цей об'єкт спостерігають уже принаймні 200 років. Сто років тому розміри ВЧП були майже в 2 рази більшими, ніж у наш час.

Середня густина Юпітера - 1 г/см3 (як і в Сонця та інших планет-лгантів). Атмосфера Юпітера містить молекулярний водень, гелій, неон, аміак і метан.

Юпітер має могутнє магнітне поле.

Чотири із 13 супутників Юпітера — Іо, Європа, Ганімед і Каллісто — відкрив у свій час ще Галілей. За своїми розмірами й масою вони подібні до нашого Місяця; інші ж супутники в 50-100 разів менші, причому чотири зовнішніх супутники обертаються навколо планети у зворотний бік.

Сатурн

Це друга за величиною планета Сонячної системи, яка має екваторіальний радіус 59900 км. Маса планети в 95 разів більша за масу Землі. Середня густина речовини Сатурна всього 0,7 г/см3 Це свідчить про те, що планета складається, головним чином, з водню і гелію. Розрахунки показують, що Сонце може нагріти поверхню планети всього до -200 °С. Насправді ж температура дещо вища. Не виключено, що Сатурн, як і Юпітер, перебуває в стані повільного гравітаційного стиснення.

Сатурн має 10 супутників і кільце, завдяки якому дуже популярний серед спостерігачів. Кільце (а, точніше, система з декількох концентричних кілець) починається на висоті -15000 км і закінчується на висоті - 270000 км від поверхні Сатурна. Складається воно з частинок, спектри яких схожі на спектри звичайного інею. Розміри частинок — від кількох сантиметрів до кількох метрів. Товщина кільця не перевищує 4 км.

Найбільший супутник Сатурна — Титан (діаметр 5830 км) — має атмосферу з метану й аміаку. Розміри інших супутників набагато менші. Обертаючись навколо планети, вони завжди повернуті до неї одним і тим же боком.

Уран

Маса Урана в 14,6 рази більша від маси Землі. Період обертання навколо Сонця — 84 роки. Уран — планета Сонячної системи, що має зворотне осьове обертання. Ця обставина виявилася "каменем спотикання" для багатьох космогонічних теорій.

Температуру атмосфери планети визначити дуже важко, тому що її теплове випромінювання в інфрачервоному й радіодіапазоні настільки слабке, що його важко виміряти. Очевидно, температура навіть освітленого Сонцем боку не перевищує -200 вС. Аміак при такій температурі перебуває вже у твердому стані.

У 1977 р. у планети було виявлено систему кілець, хоч і менш щільних, ніж у Сатурна. Чотири з п'яти кілець мають ширину близько 10 км, а п'яте — 50-100 км.

Уран виглядає як зірка 6-ї величини.

Нептун

Маса Нептуна в 17,2 рази більша від маси Землі. Радіус Нептуна 25270 км, його атмосфера складається з молекулярного водню з домішкою метану. Нептун має 2 супутники (Тритон і Нереїда). Радіус Тритона близько 3000 км, а маса майже вдвічі більша, ніж у Місяця. Обертається Тритон навколо Нептуна у зворотному напрямку. Період обертання Нептуна навколо Сонця становить близько 165 років.

Плутон

У період з 1969 по 2009 роки Плутон знаходиться ближче до Сонця, ніж Нептун, — така форма його орбіти. Маса Плутона, очевидно, приблизно така ж, як і маса Землі. Температура його поверхні становить -220 "С. Плутон, можливо, має тонку атмосферну оболонку.

Плутон — єдина планета Сонячної системи, до якої ще ніколи не наближався космічний корабель. Однак уже прийнято рішення про фінансування польоту автоматичного зонда НАСА до Плутона. Запуск заплановано на 2006 рік, однак лише в 2015-му році — і то завдяки балістичному прискоренню на орбіті Юпітера — апарат "Нові горизонти" подолає 6 млрд кілометрів і досягне дев'ятої планети, де вивчатиме не лише Плутон, а і його супутник Харон. Об'єктиви станції зможуть спостерігати супутники Плутона, що мають розміри лише 1 км. Серед основних завдань експедиції — складання карт невидимих боків Плутона й Харона, карт геологічних районів, визначення складу атмосфери Плутона і швидкості гідродинамічного витоку. Передбачуваний строк робіт поблизу Плутона і в поясі Койпера — 5 років. Висловлюються сумніви, що момент для подорожі вибрано не дуже вдало; однак більшість учених вважають, що слід поспішити з організацією експедиції в цей віддалений світ. Справа в тому, що Плутон уже проминув найближчу до Сонця частину свого шляху по сильно витягнутій орбіті і до 2020-го року приречений на неминуче замерзання за температур, близьких до абсолютного нуля. Наразі Плутон віддаляється від Сонця, температура на ньому знижується. Незабаром атмосфера перетвориться на щось подібне до снігу. Плутон переживає драматичний момент у своїй біографії, порівняно з якою життя інших планет схоже на тихий сон обивателя.

У Плутона є супутник Харон, який за діаметром, як це не дивно, лише вдвічі менший від свого небесного сюзерена. У Сонячній системі розміри супутників становлять лише відсотки від діаметрів планет-батьків. Як могла сформуватися подвійна планетна система Плутон-Харои? Висловлено сміливі гіпотези — деякі з них могли б допомогти з'ясувати, нарешті, таємницю народження нашого Місяця. Особливий інтерес викликає те, що Плутон і Харон — зовсім не брати-близнюки, а повна протилежність один щодо одного. Це стосується атмосфери, відбивної здатності, наявності полярних шапок.1

Які круті повороти еволюції так розкидали долі сусідніх планет? Ніхто цього не знає. Узагалі, на периферії Сонячної системи, як і в будь-якій надмірно просторій імперії, відбувається чорт знає що. Вражає надзвичайна схожість Плутона з найбільшим супутником Нептуна — Тритоном. Мабуть, він також був свого часу супутником Нептуна, але якісь небесні катаклізми вирвали його з обіймів материнської планети. Іноді Плутон і Нептун, ніби забавляючись і не даючи один одному остаточно замерзнути в космічному льосі, міняються місцями.

Про Плутон відомо дуже мало. Період його обертання навколо Сонця — 250 років. За вищезгаданою гіпотезою, Плутон у минулому був супутником Нептуна. Взаємні збурення Тритона й Плутона призвели до того, що Плутон було викинуто із системи Нептуна, а Тритон перейшов на орбіту зі зворотним рухом.

Седна

Навесні 2004-го року американський космічний телескоп Spitzer на окраїні Сонячної системи виявив нову планету, яку назвали Сед пою на честь ескімоської богині океану. До цього моменту останньою планетою Сонячної системи вважали Плутон, відкритий у 1930-му ропі. З того часу завдяки найновішим астрономічним засобам поблизу нашого світила було виявлено велику кількість різних об'єктів, але Седна — найкрупніший серед них. Багато вчених протягом цих десятиліть висловлювали припущення про те, що за орбітою Плутона повинна існувати ще одна планета, яка дістала назву Трансплутона. І ось прогнози справдилися. Як справдилися вони і стосовно інших передбачених наперед планет Сонячної системи — Урана, Нептуна, самого Плутона.

Асторономи вирахували, що небесна Седна більша, ніж астероїд, але менша, ніж усі відомі планети: її діаметр — мінімум 2000 км. Дев'ята планета Соняної системи— Плутон — має в поперечнику 2250 км. Седна здійснює повний оберт навколо Сонця по сильно витягнутій еліптичній орбіті за 10500 земних років. Сенсаційне відкриття підтверджують спостереження й іншого космічного телескопа — старожила "Хаббла", який працює на орбіті вже 11 років. За попередніми оцінками, Седна знаходиться від Землі на відстані приблизно 10 млрд. кілометрів, тобто в 70 разів далі, ніж Сонце. У даний момент об'єкт перебуває на відстані близько 13 млрд. кілометрів від центра Сонячної системи, а в найбільш віддаленій точці орбіти відстань від планетоїда до Сонця сягає вражаючої величини — 130 млрд. кілометрів.

Вивчення орбіти Седни наштовхує на думку про хмару Оорта — скупчення астероїдів із сильно витягнутою еліптичною орбітою. Саме із цього поясу походить багато комет. За припущенням учених, хмара Оорта оточує Сонце і простягається до половини відстані між Сонцем і системою Альфи Центавра — найближчої до Сонця зоряної системи. Однак Седна розміщена приблизно в десять разів ближче до Землі, ніж пояс Оорта.

Седна має червонувате забарвлення. Червоніший за Седну на небесному схилі лише Марс. Існують також непрямі докази наявності в Седни супутника, однак виявити його за допомогою сучасних засобів спостереження неможливо. Протягом найближчих 72 років Седна буде наближатися до Землі, що дозволить краще вивчити цей незвичайний об'єкт. Між іншим, не всі астрономи до цього часу визнають статус планети навіть за Плутоном, не кажучи вже про Седну.

Седну виявила команда вчених під керівництвом доктора Майкла Брауна із знаменитого Каліфорнійського технологічного інституту. Як і очікувалося, нова планета знаходиться в тій частині космосу, яка називається поясом Койпера. Пояс названо на честь американського астронома Джерарда Койпера, який майже півстоліття назад передбачив існування малих планет за орбітою Нептуна. У цьому поясі знаходяться сотні космічних об'єктів — дрібних і крупних. Астрономи впевнені, що в поясі Койпера буде виявлено й інші цікаві небесні тіла. Більшість об'єктів поясу Койпера являють собою космічні уламки, що складаються з льоду та каменю. Але Седна, як стверджують її першовідкривачі, — це справжня планета. Отже, пояс Койпера приховує у собі ще багато таємниць.

Уже зараз можна передбачити, що після відкриття Седни з новою силою спалахнуть суперечки про те, яке ж небесне тіло можна вважати повноцінною планетою. Адже навіть із Плутоном не все до кінця зрозуміло. Деякі астрономи, заперечуючи планетний статус Плутона, сприймають його як один з найкрупніших космічних об'єктів, що "засмічують" околиці Сонячної системи. Деякі із цих каменів лише вдвічі менші за Плутон. На користь того, що Плутон і Седна є планетами, свідчить те, що вони мають стійку Орбіту, на відміну від інших об'єктів у поясі Койпера

На багатьох планетах учені шукали органічні речовини та воду, але виявили їх у значній концентрації лише на окраїні Сонячної системи. Є підстави вважати, що й інші тіла в поясі Койпера, у тому числі і Седна, приховують значну кількість льоду та органіки. На ранніх стадіях розвитку Сонячної системи подібні об'єкти блукали в її внутрішніх просторах, постачаючи, згідно з найпопулярнішою гіпотезою, первинний матеріал для молодої Землі.