3.2. Солнечная система, ее происхождение и эволюция

Основные сведения о планетах Солнечной системы можно получить из приведенной ниже таблицы. Обратим внимание лишь на некоторые моменты. Земля – это третья, после Меркурия и Венеры, планета по удаленности от Солнца. Просмотрите данные колонки 1 таблицы. Вы получите представление об относительной и абсолютной удаленности разных планет от Солнца. Считается, что диаметр Солнечной системы 6^.10¹⁶м. При этом тела удерживаются у Солнца силой тяготения.

По орбите Земля движется со скоростью ~30 км/с. Ее орбита незначительно отличается от круговой. В течение 24 часов Земля делает один оборот вокруг своей оси, которая наклонена к плоскости орбиты под углом 66°34'. При движении вокруг Солнца ось Земли перемещается параллельно самой себе. Год на Земле длится – 365,25 суток. Земля сплюснута у полюсов, ее форма близка к эллипсоиду вращения. Разница между экваториальным радиусом и полярным (сплюснутость) составляет около 21 км. Средний радиус Земли равен 6371 км, а ее масса составляет 6·10²⁴ кг при средней плотности вещества 5,5·10³ кг/м³. Планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс относятся к планетам земной группы. Все они сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных дней, а на Венере – 243 дня, длительность года на них равна соответственно 87 дней и 223 дня). У этих планет мало спутников (у Земли – 1, у Марса 2 крохотных, у Меркурия и Венеры их нет). Средняя плотность этих планет в 4 – 5,5 раза превосходит плотность воды. Из таблицы видно, что ось вращения Венеры наклонена в другую сторону и вращается Венера в направлении обратном ее движению вокруг Солнца.

Что касается атмосферы, то у Луны и Меркурия ее практически нет. Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Очень плотная атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа, что приводит к сильному парниковому эффекту (температура на Венере достигает 500°С). Атмосфера Марса тоже состоит в основном из углекислого газа, но она сильно разрежена (давление в 150 раз меньше, чем давление у поверхности Земли).

Поверхность планет Земной группы гористая, твердая, подобная поверхности Земли и Луны. Она изучена хорошо благодаря автоматическим межпланетным станциям, пролетавшим вблизи планет или даже садившимся на поверхность Марса и Венеры. Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов кольцом астероидов – малых планет. Первая из них – Церера – была открыта в начале XIX в. Сейчас зарегистрировано более 10000 малых планет. Все они движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты вытянуты значительно больше. Большинство астероидов имеют размеры от нескольких километров до нескольких десятков километров (диаметр Цереры 1000 км). Общая масса всех астероидов примерно в 20 раз меньше массы Луны. Сталкиваясь между собой, астероиды дробятся и в виде каменных и железных метеоритов выпадают на поверхность планет, в том числе и Земли.

Особенностью планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) являются их большие размеры и масса. Например, радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в 318 раз превосходит массу Земли. Планеты-гиганты имеют малую плотность, самая низкая плотность у Сатурна: 0,7·10³ кг/м³ (плотность воды 10³ кг/м³). Вокруг собственной оси они вращаются с большими скоростями: сутки на Юпитере длятся всего около 10 часов. В плане собственного вращения очень интересна особенность Урана. Ось его наклонена но отношению к плоскости орбиты в ту же сторону, что и у Венеры, но всего на 8°. Это означает, что Уран «как бы катится» по плоскости своей орбиты. Эти планеты не имеют твердых поверхностей и состоят в основном из водорода и гелия.

Малая плотность вещества и быстрота вращения приводят к большой их сплюснутости. У Юпитера, например, экваториальный радиус больше полярного на 4400 км. Характерная особенность этих планет – большое количество спутников. Эти спутники похожи на Землю и Луну. Имеющиеся данные о планетах-гигантах дают возможность построить модели их внутреннего строения,

рассчитать плотность, давление и температуру в их недрах. Модель для Юпитера выглядит так: газообразный водород по мере продвижения к центру планеты сначала переходит в жидкое состояние, а затем – в твердое (металлическое), хорошо проводящее электричество. Эти фазовые переходы обусловлены наличием больших давлений (у Юпитера до 40 млн. атм.).

Таблица 1

Название планеты	Среднее расстояние от Солнца, а.е.	Сидерический период, годы	Орбитальная скорость, км/с	Средний радиус, км	Наклон оси к плоскости орбиты	Период вращения	Средняя плотность, 103 кг/м3	Ускорение свободного падения, м/с2	Масса в массах Земли	Число спутников	Наличие атмосферы
Меркурий	0,39	0,24	47,9	2440	89	58,7 д	5,5	3,7	0,6	–	Следы
Венера	0,72	0,61	35,0	6050	– 86,6	243,1 д	5,2	8,9	0,82	–	Очень плотная
Земля	1,00	1,00	29,8	6371	66,5	23ч56м4с	5,5	9,8	1,0	1	Плотная
Марс	1,52	1,88	24,1	3397	65,5	24ч37м22с	3,9	3,7	0,11	2	Разреженная
Юпитер	5,20	11,86	13,1	69900	87	9ч50м	1,3	25,8	318	16	Очень плотная
Сатурн	9,54	29,46	9,6	58000	63,5	10ч14м	0,7	11,3	95,2	17	–
Уран	19,19	84,02	6,8	25400	–8	10ч49м	1,4	9,0	14,6	16	–
Нептун	30,07	164,78	5,4	24300	61	15ч48м	1,6	11,6	17,2	8	–
Плутон	39,52	247,7	4,7	1140	15	6,4д	2,0	0,6	0,002	1	Обнар. в 1988 г.

Планеты-гиганты имеют сильные магнитные поля, которые захватывают летящие от Солнца заряженные частицы высоких энергий и образуют из них радиационные пояса. Вырываясь из радиационных поясов и проникая в атмосферу планет заряженные частицы приводят к полярным сияниям. Особенностью планет-гигантов является наличие вокруг них колец, состоящих из частиц и глыб, движущихся по своим орбитам над облачным слоем планет. Кольца очень широкие: у Сатурна, например, они простираются на 60 000 км. Толщина колец небольшая, порядка 1 км. Хронология открытия колец: у Сатурна – XVII в., у Урана – 1977 г., у Юпитера – 1979 г., у Нептуна – 1989г.

Центром Солнечной системы является Солнце. Масса его 2·10 ³⁰ кг. т.е. в 3,33·10⁵ раз больше массы Земли и в 750 раз больше массы всех планет Солнечной системы. Вот почему в соответствии с законом всемирного тяготения все планеты вращаются вокруг Солнца. Радиус Солнца равен 7 10⁸ м, т.е. больше радиуса Земли в 109 раз. Средняя плотность Солнца 1,4^.10³ кг/м³, а в центре в 10 раз больше. Солнце вращается вокруг своей оси, делая один оборот за 25 суток (области у полюсов Солнца вращаются медленнее и делают один оборот за 30 суток). Направление вращения Солнца вокруг своей оси совпадает с направлением вращения вокруг него всех планет. Температура в поверхностных слоях Солнца (эффективная температура фотосферы) составляет 6000 Кельвинов. С глубиной температура растет, достигая в центре 1,5·10⁷ К. Это означает, что вещество на Солнце находится в состоянии плазмы. Изучение спектра Солнца позволяет определить его химический состав. По современным данным на Солнце обнаружено более 70 химических элементов и все они есть на Земле. Больше всего на Солнце водорода (около 70% всей массы Столица) и гелия (около 28%,). Одинаковый химический состав Солнца и всех планет служит убедительным доказательством их единой природы.

Солнце излучает в мировое пространство огромную энергию. Годовой ее расход составляет примерно 1,3·10³⁴ Дж (для сравнения, электростанция мощностью 5 миллионов киловатт в год вырабатывает 1,6·10¹⁷ Дж энергии), ежегодно оно дает Земле энергии в 10 раз больше, чем ее запас в недрах нашей планеты. Источником пополнения энергии Солнца, но современным представлениям, являются термоядерные реакции. По формуле Эйнштейна: E = mc², можно подсчитать, какую массу Солнце теряет, скажем, ежегодно в результате излучения. Подсчет дает – 1,4·10¹⁷ кг.

Происхождение и эволюция солнечной системы

Как и в случае со Вселенной, современное естествознание не дает точного описания этого процесса. Но современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия дает серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.

На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения шестнадцати звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационно связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера. Можно предполагать, что существование крупного спутника типа Юпитера, по аналогии с Солнечной системой, указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет.

Но следует отметить, что одиночные звезды типа Солнца – явление не столь уж частое, обычно они составляют кратные системы. Нет уверенности, что планетные системы могут образовываться в таких звездных системах, а если они в них возникают, то условия на таких планетах могут оказаться нестабильными, что не способствует появлению жизни.

О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Солнечная система образовалась примерно 5-7 млрд. лет назад, причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливающихся в газопылевых облаках. Например, по модели Канта – Лапласа.

Сегодня есть уникальные сведения, полученные «Вояджерами» о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.

1. Одинаковая закономерность в распределении вещества по химическому составу: максимум концентрации летучих веществ (водород, гелий) всегда приходится на первичное тело и на периферийную часть системы. На некотором удалении от центрального тела располагается минимум летучих веществ. В Солнечной системе этот минимум заполнен самыми плотными планетами земной группы.

2. Во всех случаях на долю первичного тела приходится более 98% общей массы системы.

3. Имеются наглядные признаки, указывающие на повсеместное образование планетных тел путем слипания частиц (аккреция) во все более крупные тела, вплоть до окончательного оформления планеты (спутника).

Конечно, это только гипотеза, и она требует дальнейшей разработки. Так же пока не имеет убедительных доказательств предположение, что образование планетных систем является закономерным процессом для Вселенной. Но косвенные данные позволяют утверждать, что, по крайней мере, в определенной части нашей галактики планетные системы существуют в заметном количестве. Так, И.С. Шкловский обратил внимание на то, что все горячие звезды, температура поверхности которых превышает 7000 К, имеют высокие скорости вращения. По мере перехода ко все более холодным звездам на определенном температурном рубеже возникает внезапный резкий спад скорости вращения. Звезды, входящие в класс желтых карликов (типа Солнца), температура поверхности у которых порядка 6000 К, имеют аномально низкие скорости вращения, почти равные нулю. Скорость вращения точек поверхности Солнца – 2 км/с. Низкие скорости вращения могут быть результатом передачи 99% первоначального момента количества движения в протопланетное облако. Если это предположение верно, то наука получит точный адрес для поиска планетных систем.

В настоящее время бурно развивается перспективная гипотеза происхождения Солнечной системы, основанная на теории торсионных полей. Она замечательна тем, что хорошо согласуется с принципом глобального эволюционизма, позволяет понять последовательность формирования сложной системы, непрестанно развивающейся в пространстве и времени.