Раздел 4. Земля – планета солнечной системы

4.1. Планеты солнечной системы

Солнечная система, в которую входит наша планета Земля включает в себя 8 планет и их спутники, множество астероидов и их осколков (метеоритов), кометы и межзвездный газ. Она расположена вблизи центральной плоскости нашей галактики Млечный путь. Ее линейная скорость вращения вокруг галактического центра около 220 км/с, период обращения примерно 200 млн. лет. Вместе со всеми планетами Солнечная система движется со скоростью 19,5 км/с в направлении созвездия Геркулес.

Солнце – медленно вращающаяся звезда с массой кг, периодом обращения вокруг своей оси Т 27 суток и радиусом .

Основная доля общей массы Солнечной системы (99,87 %) приходится на Солнце, поэтому движением всех тел системы, т.е. планет, астероидов и метеоритов, управляет солнечное тяготение. Благодаря этому траектории всех планет строго упорядочены в пространстве, что не позволяет им сталкиваться между собой и обеспечивает устойчивость Солнечной системы.

Орбиты планет представляют собой эллипсы (не очень вытянутые), в одном из фокусов которых находится Солнце. Ближайшая к Солнцу планета – Меркурий, следующая планета – Венера. Земля является третьей от Солнца в ряду планет. Орбита Плутона считается границей Солнечной системы, удаленной от Солнца примерно на 6 млрд. км. Предполагается, что за границей Солнечной системы находится кометное облако значительной массы.

Строение Солнечной системы обладает рядом закономерностей, указывающих на то, что формирование планет и Солнца происходило в едином процессе. К примеру, вращение почти всех планет происходит в одном и том же направлении и практически в одной и той же плоскости, а их расстояние до Солнца, точнее большая полуось эллиптической орбиты, измеряемая в астрономических единицах (1 а.е. = 149,6 млн. км), описывается одним и тем же уравнением, называемым правилом Тициуса–Боде: , где коэффициент k – это целые числа. Начиная с Меркурия k = 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. Причем значение k = 8 соответствует поясу астероидов, наблюдаемому между Марсом и Юпитером. С точки зрения современной космологии, формирование нашей Солнечной системы происходило примерно 4,6 млрд. лет тому назад, из межзвездной газопылевой материи нашей Галактики при ее возмущающем воздействии и, возможно, влиянии сверхновых звезд. Аналитические расчеты и компьютерное моделирование этого процесса, в частности расчет масс, размеров, скорости вращения и расстояний планет до Солнца, удовлетворительно согласуются с наблюдениями.

Происхождение Луны – спутника Земли чаще всего связывают с образованием ее на околоземной орбите, однако продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны или отделения Луны от Земли при столкновении протоземли с крупным космическим телом, размерами порядка Меркурия или даже Марса. Согласно расчетам наиболее вероятно, что Луна образовалась из массивного спутникового метеоритного роя, орбиты которого эволюционировали под действием гравитационного поля, и в конечном итоге спутники объединились в одно тело – Луну.

Астрофизические исследования последних десятилетий, проводимые как в земных лабораториях, так и с космических спутников, позволили получить достаточно надежные данные о движениях, массе и составе планет, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Планеты Солнечной системы

Планеты	Среднее расстояние от Солнца		Период обращения вокруг Солнца	Период вращения на экваторе	Эквато- ри- альный диа- метр, (км)	Масса в массах Земли	Средняя плот- ность вещества (Мг/м3)	Чис- ло спут- ников
	млн. км	а.е.
Меркурий	57,9	0,39	87,97 сут	58,6 сут	4 878	0,055	5,5	–
Венера	108,2	0,72	227,70 сут	243 сут*	12 104	0,805	5,25	–
Земля	149,6	1,00	365,26 сут	23 ч 56 мин	12 756	1,00	5,25	1
Марс	227,9	1,52	686,98 сут	24 ч 37 мин	6 974	0,106	3,94	2
Юпитер	778,3	5,20	11,86 лет	9 ч 50 мин	142 600	314,03	1,33	16
Сатурн	1427	9,54	29,46 лет	10 ч 14 мин	120 200	94,01	0,70	16
Уран	2870	19,18	84,01 года	~ 20 ч*	53 000	14,4	1,1	5
Нептун	4496	30,06	164,81 года	~ 20 ч	49 500	17,0	1,5	2
Плутон	5946	39,75	247,7 лет	6,39 сут	4 000	0,002	0,4	1

^* Направление вращения обратно направлению обращения.

Как следует из данной таблицы планеты Солнечной системы по своим размерам, массе, строению и удаленности от Солнца четко разделяются на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.

К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они имеют близкие по размерам радиусы, массы и плотности, а главное имеют схожее строение – четко обозначенную твердую оболочку, отделяющую поверхность планеты от атмосферы.

Группу планет-гигантов составляют Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Они значительно дальше находятся от Солнца, имеют в десятки и сотни раз большие массы и размеры, чем планеты земной группы, а главное – их поверхности не имеют твердой оболочки. Они представляют из себя газообразный огромный шар, плотность и давление в котором возрастают по мере продвижения к центру планеты, в результате чего газ, постепенно уплотняясь, переходит в жидкость, а затем в твердое вещество, образующее ядро планеты.

Планета Плутон в этой классификации стоит особняком. Она имеет малую массу и плотность, и слишком удалена от Солнца, поэтому ее обычно не включают ни в какую группу, а в последние годы даже исключили из списка планет Солнечной системы.

Планеты земной группы и планеты-гиганты отделены друг от друга большим пространством, в котором вращается множество астероидов, называемых иногда малыми планетами. По древней легенде в этом месте некогда находилась планета Фаэтон, которая по какой-то причине распалась, образовав «пояс астероидов». Согласно современной теории, астероиды – это фрагменты сконденсированной звездной материи, из которой образовались все планеты нашей системы, однако из-за возмущающего гравитационного воздействия Юпитера они не смогли объединиться в одну планету.

Между планетами внутри каждой группы имеются существенные различия.

Меркурий – это ближайшая к Солнцу планета и самая малая из планет земной группы, ее масса составляет всего 0,055 массы Земли. Она удалена от Солнца в среднем на 58 млн. км. Из-за медленного вращения вокруг своей оси и наложения собственного вращения на движение по орбите, солнечные сутки на Меркурии длятся 176 земных дней, из них 88 суток Солнце не заходит за горизонт и освещает одну сторону планеты, а затем 88 суток другую. В результате температура на солнечной стороне поднимается до 350 ⁰С и выше, а на обратной стороне опускается почти до –200 ⁰С. Атмосфера на Меркурии крайне разреженная, примерно в 300 раз меньше, чем на Земле, и состоит в основном из аргона, неона и гелия. Ее каменистая, безводная и безжизненная поверхность во многом напоминает поверхность нашей Луны.

Венера – вторая планета Солнечной системы. Она удалена от Солнца в среднем на 108 млн. км. По размерам, массе и составу Венера более других планет похожа на Землю, правда вращается она в другую сторону. Существенные различия наблюдаются в атмосферах планет. На Венере очень плотная атмосфера, давление которой в 100 раз больше, чем на Земле, и состоит она на 96,5% из углекислого газа СО₂, 3% азота N₂, 0,1% воды Н₂О. Углекислый газ и водяной пар в атмосфере Венеры создают парниковый эффект, в результате которого температура ее поверхности на солнечной стороне достигает почти 500 ⁰С. Из-за высокой плотности атмосферы и температуры ее поверхность почти всегда закрыта густыми облаками, которые по данным исследований последних лет состоят из капелек водного раствора серной кислоты. Ко всем этим экстремальным условиям добавляется движение атмосферы как целого вокруг поверхности планеты, что сопровождается непрекращающимися бурями и ураганами. Таким образом, несмотря на то, что на Венере есть вода (в атмосфере 0,1% Н₂О), ожидать встретить там жизнь, подобную нашей, маловероятно.

Земля – третья в ряду планет Солнечной системы. По своему составу и строению она похожа на другие планеты земной группы и все же прослеживается ее некоторая уникальность. Земля удалена от Солнца в среднем на 149,6 млн. км (1 а.е). Это расстояние оказалось достаточным, чтобы солнечной энергии вместе с теплом собственных недр хватило для поддержания средней температуры на планете примерно 14,8 ⁰С. Это обеспечило условия существования жидкой воды на Земле (Мировой океан занимает примерно 2/3 ее поверхности). Размеры и масса Земли оказались достаточными, чтобы удерживать сравнительно плотную атмосферу, которая состоит на 78% из азота N₂ и 21% кислорода О₂. Даже наклон оси вращения Земли таков, что за один оборот вокруг Солнца происходит смена четырех времен года, примерно равной длительности. В ее недрах содержатся практически все элементы таблицы Менделеева. Сочетание всех этих геофизических условий ставит планету Земля на особое место в ряду планет Солнечной системы, поскольку только на Земле имеется все необходимое и достаточное для существования жизни в привычном для нас виде.

Марс – последняя планета земной группы и последняя надежда встретить разумную жизнь на планетах Солнечной системы. Очевидно поэтому исследованию Марса уделяется столь пристальное внимание. Космические аппараты «Марсы» и «Викинги» позволили получить фотографии поверхности Марса и установить многие параметры этой планеты. Марс удален от Солнца в среднем на 228 млн. км, поэтому значительно хуже, чем Земля, обогревается Солнцем. Его масса составляет всего 0,1 массы Земли, а атмосферное давление примерно в 100 раз меньше земного. Атмосфера Марса состоит на 95% из углекислого газа СО₂, 3% азота N₂, 1,5% аргона Ar, 0,1% воды Н₂О. Длительность суток на Марсе 24,5 часа, а продолжительность года равна 687 земных суток, за которые также, как и на Земле, происходит смена четырех времен года. Из-за разреженности марсианской атмосферы, планета плохо удерживает солнечное тепло, вследствие чего летним днем температура там поднимается до 25 ⁰С, а ночью опускается до –90 ⁰С, а в приполярных областях до –135 ⁰С. Среднегодовая температура составляет примерно –60 ⁰С. Резкие перепады температуры в течение суток вызывают сильнейшие пылевые бури, во время которых густые облака песка и пыли поднимаются почти до 20 км. Красноватый цвет Марса вызван обилием в его поверхностных породах оксида железа (охры). Рельеф Марса весьма своеобразен и изобилует глубокими трещинами и возвышенностями. Известный Марсианский каньон имеет протяженность примерно 2500 км, ширину 150 км, а глубину до 6 км. Высочайшая гора Марса, Олимп, возвышается над поверхностью почти на 24 км. При климатических условиях, которые существуют на Марсе, жидкой воды на этой планете нет. Вода на ее поверхности может находиться только в твердом состоянии, в виде снега, льда или инея. Предполагается, что под поверхностью Марса имеется слой вечной мерзлоты. Знаменитые «полярные шапки» Марса, согласно последним исследованиям, состоят из двух компонентов: сезонного – твердой углекислоты («сухого льда») и векового – обыкновенного льда. Метеоритных кратеров на Марсе немного, зато хорошо различимы следы эрозии, скорей всего водной. В связи с этим предполагается, что примерно 10 млн. лет назад Марс обладал более плотной атмосферой и более высокой температурой, а по его поверхности текли реки, существовали моря и океаны. До сих пор не известна причина, вызвавшая столь глобальные изменения климата на Марсе, приведшие к современному его состоянию. Планируемый на 20-е годы полет на Марс международного космического экипажа, возможно, поможет разгадать эту тайну.

Юпитер – пятая и самая большая планета Солнечной системы. Его масса в 314 раз больше массы Земли и больше всех остальных планет вместе взятых, поэтому долгое время Юпитер считали угасшей звездой. Юпитер удален от Солнца в среднем на 778 млн. км и едва обогревается им, однако тепло собственных недр поддерживает температуру атмосферы около –140 ⁰С. Несмотря на огромные размеры (его диаметр 142 600 км), период обращения Юпитера вокруг собственной оси, т.е. сутки, составляет менее 10 часов, а один оборот вокруг Солнца он совершает почти за 12 земных лет. Атмосфера и недра Юпитера состоят примерно на 74% из водорода и 26% гелия. Как и все планеты группы гигантов он не имеет ни жидкой, ни твердой оболочки. Его атмосфера постепенно переходит в слой жидкого молекулярного водорода, а затем в металлический водород. В центре планеты находится железо-силикатное ядро с температурой около 30 000 К и массой примерно равной 10-20 масс Земли. Юпитер имеет 15 спутников, два из которых, Ганимед и Каллисто, больше планеты Меркурий, а спутник Ио – самый сейсмически активный объект Солнечной системы. Извержения вулканов на Ио были зарегистрированы даже в последние десятилетия.

Сатурн, Уран и Нептун – это шестая, седьмая и восьмая планеты Солнечной системы. Все они входят в группу планет-гигантов. Их массы и размеры в десятки раз превосходят земные (см. табл. 2). Состав и строение этих планет во многом похожи на Юпитер. По мере удаления от Солнца они все меньше обогреваются его теплом, поэтому температура их атмосфер снижается от –184 ⁰С у Сатурна, до –210 ⁰С у Нептуна. Все эти планеты имеют по несколько спутников, а у Сатурна их такое множество, от больших до самых маленьких, что они, четко распределившись по траекториям в пространстве, образовали знаменитые кольца Сатурна.

Плутон – эта самая малая и последняя планета Солнечной системы. Ее масса составляет всего 0,002 массы Земли. Она удалена от Солнца в среднем на 6 млрд.км., поэтому для нее Солнце – это яркая звезда, которая не греет и даже не освещает ее. Средняя температура поверхности Плутона, покрытой льдом из метана, составляет примерно –220 ⁰С. Плутон вместе со своим спутником Харон – это окраина Солнечной системы, далекий, затерянный мир, в котором медленное движение Плутона по орбите (период 247,7 года) иногда нарушают лишь падающие метеориты и проносящиеся мимо кометы.