Вводный раздел. Пояснительный текст.
Населяющие Солнечную систему тела образовались в результате сложных последовательных превращений вещества во Вселенной, высшей формой химико-биологической эволюции которого является возникновение жизни. По мере совершенствования традиционных астрономических методов и особенно с началом космических исследований резко ускорилось накопление наблюдательных данных об уникальной природе этих тел, закономерностях и взаимосвязях разнообразных явлений, специфике действующих механизмов. Одновременно с этим, благодаря прогрессу методов теоретических исследований и появлению электронно-вычислительных машин, открылись широкие возможности изучения характера и путей эволюционных процессов на основе построения математических моделей, в рамках которых предпринимаются попытки обобщить существующие знания и воссоздать раннюю историю Солнечной системы. Вопросы о ее происхождении, о возникновении жизни на Земле относятся к ключевым проблемам современного естествознания.
Схема строения Солнечной системы представлена на рис. 1. В центре находится Солнце — медленно вращающаяся звезда спектрального класса G2 с температурой фотосферы около 6000 К и температурой в центре около 15 • 106 К. Солнце сейчас не принадлежит какому-либо звездному скоплению или ассоциации. Это рядовая одиночная звезда, обращающаяся приблизительно в центральной плоскости Галактики и удаленная от ее центра на расстояние 2/3 радиуса Галактики. Возраст Солнца не превышает 5 млрд. лет, тогда как возраст звезд 1-го поколения может превышать 10 млрд. лет. Расстояния до ближайших звезд и тем более до массивных диффузных объектов Галактики — гигантских молекулярных облаков — очень велики, так что нашу систему планет можно считать в значительной степени изолированной в пространстве и рассматривать ее эволюцию под влиянием в основном внутренних факторов. Действительно, наиболее отдаленная от Солнца планета — Плутон — в 5 тысяч раз ближе к Солнцу, чем к ближайшей звезде. Вокруг Солнца обращаются 9 планет, имеющих по современным данным в совокупности 60 спутников.
Движения планет достаточно хорошо описываются эллипсами, фокусы большинства из которых расположены внутри Солнца. В табл. I вместе с астрономическим символом планеты приведены такие характеристики как расстояние от Солнца (большая полуось орбиты), экваториальный радиус планеты, ее масса, полярное сжатие, число спутников, наличие колец.
Между орбитами Марса и Юпитера обращаются тысячи малых планет-астероидов. Некоторые астероиды имеют сильно вытянутые орбиты, плоскости которых пересекаются плоскостью орбиты Земли. В пределах планетной системы находятся также короткопериодические кометы с периодами менее 200 лет, которые нередко появляются в окрестностях Земли. Очень большой вытянутостью характеризуются орбиты долгопериодических комет, периоды обращения которых достигают миллионов лет, а большие полуоси — сотни тысяч астрономических единиц (а. е.).
По современным представлениям все планеты Солнечной системы образовались около 4,5 млрд. лет назад из единого газопылевого облака, существовавшего около Солнца. Температура в облаке была наибольшей в его центральных областях и падала к периферии. Состав планеты главным образом определялся температурой той области облака, где она образовалась.
По своему составу планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс), расположенные ближе к Солнцу, и планеты-гиганты во внешней части Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Сюда же относят Плутон, который больше напоминает спутники планет-гигантов. Спиральные шкалы на рис. 5—12 служат для иллюстрации средней удаленности планет от Солнца и спутников от планет. Одно деление шкалы средних расстояний от Солнца соответствует I а.е.= 149,6-106 км, а шкалы удаления спутника от планеты — 1 000 000 км, 100 000 км, 10 000 км.
Планеты каждой группы имеют ряд сходных черт. Так, все планеты первой группы сравнительно небольшого размера и состоят в основном из окислов металлов, силикатов и других породообразующих минералов, т. е. тех веществ, которые могли находиться в твердом состоянии в сильно прогреваемой части газопылевого облака, в тр время как основная масса летучих элементов была им потеряна. Химический состав астероидов монотонно меняется по мере удаления от Солнца: каменные и металлические астероиды классов S, М постепенно уступают место астероидам класса С — углистым хондритам, содержащим значительную долю углерода и летучих веществ.
Планеты во внешней части Солнечной системы характеризуются огромными размерами (за исключением Плутона). В их состав входят в основном летучие соединения, причем преобладают космически наиболее распространенные водород и гелий. На рис. 2—4 изображено как соотносятся размеры планет и спутников, комет и астероидов.
Благодаря полетам космических аппаратов нам стал гораздо лучше известен внешний облик планет. Что касается прямых исследований недр, то эти возможности весьма ограничены даже для Земли. При помощи сверхглубокого бурения удалось «заглянуть» в недра Земли примерно на 12 км, что составляет немногим менее 0,2% радиуса Земли, бурение на поверхности Луны пока ограничилось 2 м, т. е. около 0,0001% радиуса Луны. Для других небесных тел использование таких методов исследований пока является делом будущего.
Поэтому в основном сведения о строении недр Земли и планет получают косвенными методами, среди которых наиболее эффективными и надежными являются сейсмическое и электромагнитное зондирование. Сейсмический метод основан на измерении скорости распространения сейсмических волн, возникающих в недрах небесных тел при выделении внутренней энергии, а также при ударах метеоритов. Данные сейсмозондирования уже сыграли важную роль при моделировании внутреннего строения Земли и Луны. На рис. 13, 14 приведены кривые распределения скоростей сейсмических волн в недрах Земли и Луны. Изломы кривых указывают на существование в недрах резких границ, где скорости сейсмических волн возрастают скачкообразно. Они отмечают изменение фазового состояния вещества на соответствующих глубинах. Сейсмичность Марса по измерениям на космическом аппарате «Викинг» оказалась очень слабой. Для Венеры и Меркурия данными сейсмического зондирования мы пока не располагаем.
По наблюдаемым значениям скоростей сейсмических волн можно сделать
некоторые выводы не только о физических свойствах вещества, значениях
плотности на различных глубинах, изменении давления с глубиной, но и
судить о составе недр.
Для того, чтобы представить себе состояние вещества в недрах, кроме
давления, при котором оно находится, надо знать еще и его температуру.
Однако даже для Земли непосредственно измерить температуру можно лишь
на очень небольших — порядка 10 км — глубинах, а полное распределение
температуры по глубине получают теоретическими расчетами.
Тепловое состояние недр Земли в настоящее время в основном определяется энергией, выделившейся за счет гравитационного сжатия и при распаде радиоактивных элементов, входящих в состав вещества. Земли. Это так называемые долгоживущие радионуклиды, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли (уран, торий и радиоактивный изотоп калия с атомной массой 40). Чтобы рассчитать температуру в недрах Земли, кроме общего количества и распределения радиоактивных элементов, надо знать как (по какому закону) происходит перенос тепла в ее недрах. Вычисленный ход температуры должен соответствовать тем сведениям о Земле, которые дают сейсмические и другие наблюдения, в частности, тому факту, что мантия Земли твердая, а ядро жидкое. Кроме того, тепловой поток, определенный на основе полученного распределения температуры, должен быть равен наблюдаемому тепловому потоку на поверхности Земли.
На рис. 15, 16 представлено распределение плотности и давления в недрах Земли, а также состав Земли и температура недр, изменяющаяся с глубиной. На рис. 17 приведены аналогичные модели для Луны. На рис. 18—20 показаны кривые распределения плотности и давления в недрах Меркурия, Венеры и Марса.
В приведенных моделях внутреннего строения этих планет, а также Земли и Луны (рис. 24) используются современные представления о поведении веществ при высоких давлениях. Эволюционные модели опираются на космогоническую гипотезу происхождения планет, предложенную О. Ю. Шмидтом.
Результаты моделирования позволяют сделать вывод, что общим для всех планет земной группы и Луны является разделение на кору, мантию и металлическое ядро. При этом общее содержание железа убывает ОТ Меркурия к Марсу. Луна представляет исключение из этого ряда, так как ее обеднение железом аномально, она содержит его меньше, чем любая из планет земной группы и большинство метеоритов. Эта аномалия Луны пока не находит удовлетворительного объяснения, несмотря на предложенные интересные гипотезы.
Важные дополнительные сведения в изучении планет земной группы дает исследование . метеоритов — образцов вещества, приходящего главным образом из пояса астероидов вследствие их дробления при соударениях. Модели внутреннего строения планет стро'ятся, в частности, с учетом данных метеоритики.
Венера, Земля и Марс, кроме твердых (а в случае Земли и жидкой) оболочек, имеют внешние газовые оболочки-атмосферы, исследования которых, включая прямые методы измерений, дали сведения о структуре, тепловом режиме, динамике, о вариациях их параметров в зависимости от высоты, широты, времени суток. На рис. 21, 22, 23 представлены современные модели атмосфер этих планет, а в таблице 2 указан основной химический состав газов. Атмосферы планет имеют четко выраженную высотную стратификацию и в зависимости от температуры их обычно подразделяют на зоны. Атмосферы окружают планеты почти сферическим слоем и вращаются вместе с ними.
Приповерхностная атмосфера вращается с той же скоростью, что и поверхность, в то время как верхняя атмосфера может вращаться с иной угловой скоростью. Например, у Земли она примерно в 1,5 раза больше, а у Венеры период обращения атмосферы на уровне облаков составляет четверо суток, тогда как сама планета поворачивается вокруг оси за 243 суток. Основным компонентом атмосферы Земли является азот, а Венеры и Марса — углекислый газ. Что касается Луны, то она практически лишена атмосферы. Ее атмосфера образуется главным образом за счет солнечного ветра и достигает максимума на утреннем терминаторе, при котором давление на поверхности составляет 10-'4 атм. Примерно аналогичной атмосферой, также создаваемой солнечным ветром и состоящей в основном из атомов гелия и других инертных газов, обладает Меркурий. Средняя плотность его атмосферы — 10 г. см, что соответствует условиям в земной атмосфере на высоте 800 км.
Планеты-гиганты представляют собой газожидкие тела. Это означает, что при давлении и температуре выше критических, составляющих для основной компоненты — водорода, соответственно 13 атм. и 33 К, не существует границы между газовой и жидкой фазами молекулярного водорода. В результате по мере погружения в глубь планеты газовая атмосфера уплотняется под давлением вышележащих слоев и непрерывно переходит в сравнительно плотное жидкое состояние. При этом границы между газовым слоем, называемым в известном смысле условной атмосферой, и лежащей под ней жидкой планетой не существует.
Модели внутреннего строения планет-гигантов приведены на рис. 25. О внутреннем строении планеты Плутон достаточно надежных данных пока нет. Представление об относительных размерах спутников внешних планет дают диаграммы на рис. 26, 27.