Springer (in assoc. with Praxis Publ., Chichester, UK), 2004

317 + XXV pp.

 

Джонс Б.У.

"Жизнь в Солнечной системе и за ее пределами"

Пер. с англ. под ред. В.Г.Сурдина

М.: Мир, 2007. 336 с., илл.

Аннотация

В книге известного английского ученого, профессора физики и астрономии Барри Джонса рассматривается происхождение и ранняя эволюция жизни на Земле, а также возможность существования жизни вне Земли – как в пределах Солнечной системы (Марс, Европа, Титан), так и в окрестности иных звезд. Указан диапазон условий, при которых возможна жизнь земного типа. Обсуждается будущее Солнечной системы и перспективы эволюции жизни в ней. Описаны типы звезд, рядом с которыми могут находиться пригодные для жизни планеты. Сделан детальный обзор методов и результатов поиска планет у других звезд, указаны их свойства и возможные сценарии эволюции. Рассмотрены перспективы обнаружения обитаемых планет и возможности контакта с внеземными разумными существами.

Для преподавателей и студентов астрономических и биологических специальностей, а также для всех, интересующихся астрономией и проблемами эволюции жизни.

 

Благодарности

Я очень признателен Джону Мейсону и Нику Слипу, внимательно прочитавшим всю книгу и сделавшим много тонких замечаний. Надеюсь, мне удалось на них правильно отреагировать. Ирен Ридж, Хью Джонс и Джулиан Хискокс прочли некоторые главы и помогли мне сделать текст более ясным. Многим людям я обязан содействием в работе над отдельными местами текста и некоторыми рисунками. Среди тех, кто существенно помог мне, (в алфавитном порядке) – Корин Бейлер-Джонс, Дэйвид Эрскин, Скотт Гауди, Андреас Глиндеман, Алан Пенни, Дейв Ротери, Питер Шелдон, Питер Скелтон, Питер Визинович и Ян Райт.

Клив Хорвуд из издательства "Праксис" оказался весьма доброжелательным и терпеливым издателем, а моя жена Энн Джонс стойко вынесла мой отшельнический образ жизни, теперь уже, к счастью, закончившийся.

Ник Слип и Энн Джонс активно помогали мне на заключительном этапе подготовки материала для издательства, а Ник Слип еще помог и в чтении корректуры.

 

 

Моей семье

и

Всем обитателям иных миров,

Умеющим читать

 

Барри У. Джонс

Жизнь в Солнечной системе

И за её пределом

Предисловие

Исследовать проблему жизни в Солнечной системе и за её пределом, значит, изучать живые организмы на Земле и возможность их существования в иных местах. Эта чрезвычайно интересная проблема имеет большое значение для самых разных областей науки. Благодаря успехам, достигнутым в последние десятилетия, мы лучше стали понимать природу жизни на Земле и перспективы ее наличия в других местах. В настоящее время, не имея твердых доказательств существования внеземной жизни, мы заняты выявлением мест ее возможной локализации и возможного облика живых организмов за пределом нашей планеты – не только внутри Солнечной системы, но и вне нее. Это необъятная тема, и ее разработка ведется по многим направлениям всех основных областей знания – астрономии, планетологии, химии, биологии и физики. Столь широкий круг вопросов влечет за собой определенные трудности, как для авторов публикаций, так и для их читателей. Быстрый прогресс и открытия в данной области также привносят свои проблемы; надеюсь, что включенный в «Приложения» в конце книги список веб-сайтов поможет всем нам оставаться в курсе текущих исследований.

Я писал эту книгу как углубленное введение в тему “жизнь во Вселенной”, предмет, который называют по-разному: биоастрономия или астробиология, хотя теперь все большее предпочтение отдают последнему термину. Астробиология охватывает широкий круг вопросов, и желательно, чтобы читатель этой книги обладал базовыми естественнонаучными знаниями. Надеюсь, книга будет интересна студентам, изучающим естественные науки, выпускникам вузов, немного знакомым с данной дисциплиной, а также неспециалистам, в том числе астрономам-любителям. Материал будет легче понять, если вы обладаете основными сведениями об атомах и химических элементах, а также знакомы с графиками и простыми алгебраическими уравнениями.

При изучении текста вам будет полезно, прежде чем двигаться дальше, усвоить выводы, сформулированные в конце каждой главы, – в них собраны основные моменты уже изложенного материала. Кроме того, в конце глав приведены вопросы. Нельзя сказать, что они полностью охватывают весь материал той или иной главы. Их назначение - указать пути дальнейшего развития отдельных тем, т.е. они больше требуют, чем напоминают. Полные ответы на все вопросы приведены в конце книги.

Книга построена следующим образом. В главе 1 в общих чертах описывается космос, причем основное внимание уделено тем местам, где могли бы отыскаться какие-нибудь признаки жизни. В главах 2 и 3 мы рассмотрим жизнь на Земле; пока это единственная известная нам планета, населённая живыми существами, и поэтому она может служить путеводителем в наших поисках. В главе 4 мы совершим краткое путешествие по Солнечной системе, которое приведет нас в главах 5 и 6 к двум перспективным местам обитания – Марсу и Европе. Каждому из этих миров и поиску признаков жизни на них (в настоящее время или в прошлом) посвящена отдельная глава. В главе 7 говорится о возможной судьбе живых организмов в Солнечной системе, что убедит нас в необходимости поиска жизни в отдаленных уголках Вселенной. В главе 8 обсуждаются типы звезд, рядом с которыми могли бы существовать обитаемые планеты, а также места их возможного сосредоточения в Галактике. Главы 9 и 10 посвящены тем приборам и методам, которые применяются сейчас для обнаружения планет у других звезд (экзопланетные системы), а также перспективным методам их обнаружения. В главе 11 мы поговорим об уже открытых экзопланетных системах и о том, открытия какого рода систем можно ожидать в скором времени, в особенности, в смысле поиска обитаемых миров. В главе 12 описано, как мы намерены искать жизнь на этих планетах, а заключительная глава 13 подводит нас к поискам внеземного разума и к тому вопросу, который давно уже висит в воздухе: "Одиноки ли мы во Вселенной?".

 

Глава 1

Космос

Во многих местах за пределом Земли могла бы существовать жизнь. В этой главе вы узнаете о расположении этих мест относительно нашей планеты и об их характерных свойствах. Основной индикатор потенциальной среды обитания – наличие воды в жидком состоянии. В Солнечной системе хорошим кандидатом в этом смысле является Марс – ныне холодная, сухая и пустынная планета, но на ранних этапах своей истории, возможно, имевшая более теплый и влажный климат. Следует также обратить внимание на Европу – небесное тело, покрытое льдом, под которым, вероятно, находится океан, где в настоящее время не исключено существование каких-либо форм жизни.

Вне Солнечной системы, как теперь известно, многие ближайшие к нам звёзды имеют свои планетные системы, и не исключено, что на некоторых из них могли найти приют живые организмы. Чем дальше от Земли, тем больше звёзд: в одной только нашей Галактике их около 200 млрд., а подобных галактик – миллиарды. Но шанс обнаружить признаки жизни тем выше, чем ближе к нам располагается цель, и поэтому мы в основном посвятим данную главу исследованиям Солнечной системы и ближайших звёзд – наших космических соседей.

 

Рис 1.1

1.1 Солнечная система

 

1.1.1. Орбиты планет

 

Солнечная система состоит из Солнца, планет и множества более мелких небесных тел. На рис. 1.1 показаны почти круговые орбиты планет, лежащие почти в одной плоскости. Наименее круговая орбита у самой внешней планеты Солнечной системы – Плутона, а плоскость его орбиты наиболее сильно наклонена к плоскости орбит других планет. Орбиту Плутона иллюстрирует рис. 1.2, который мы используем для знакомства с общими свойствами всех планетных орбит.

 

Рис 1.2

 

Орбита каждой планеты представляет собой эллипс; такую форму приобретает круг, если смотреть на него сбоку, причём, чем больше вы наклоняетесь, тем более вытянутым вам покажется эллипс. Наибольший диаметр эллипса называется его большой осью. На одном конце этой оси планета занимает ближайшее к Солнцу положение; эта точка называется перигелием (рис. 1.2). На другом ее конце – в точке афелия - планета наиболее удалена от Солнца. Половина большой оси, т.е. большая полуось, обозначается как а. По обе стороны от средней точки C большой оси на равных расстояниях от нее расположены два фокуса F эллипса. Как видно на рис. 1.2, в одном из фокусов находится Солнце, другой же фокус ничем не занят. Чем менее вытянут эллипс, тем ближе располагаются его фокусы к средней точке, и в предельном случае эллипс обращается в окружность, а оба фокуса сливаются в одну центральную точку. Следовательно, расстояние FC служит мерой отклонения формы эллипса от круга; численно оно определяется эксцентриситетом e = FC/a. Этот параметр эллипса можно выразить и так: e = (1 – b ² /a ²)^1/2, где b – малая полуось, равная половине наименьшего диаметра эллипса. Для орбиты Плутона e = 0,249. Если посмотреть на орбиту Плутона вдоль ее плоскости (нижняя часть рис. 1.2), то можно увидеть, что она наклонена на угол i = 17,2° к орбитальной плоскости Земли, называемой эклиптикой и принимаемой в Солнечной системе за опорную плоскость, относительно которой ведутся отсчёты.

Величины a, e и i – три параметра из числа элементов орбиты планеты. Остальные элементы, более точно определяющие ориентацию планетной орбиты относительно эклиптики, пока нас не будут интересовать. У орбиты Земли а = 1,496 ´ 10¹¹ м. Это удобная единица измерения расстояний в Солнечной системе и других планетных системах; она называется астрономической единицей и обозначается а.е. (Поскольку большая полуось земной орбиты меняется, хотя и очень слабо, 1 а. е. сейчас точно определяется как 1,495978707 ´ 10¹¹ м, что не совсем совпадает с современным значением а для Земли.) У орбиты Плутона а = 39,4 а.е.

Если смотреть со стороны северного полюса Земли, то окажется, что все планеты движутся по своим орбитам в одном и том же направлении – против часовой стрелки, в так называемом прямом направлении. Быстрее всего планеты перемещаются вблизи перигелия, где гравитационное притяжение Солнца наибольшее, а медленнее всего – в афелии. Как иллюстрирует рис. 1.2, отрезок прямой, соединяющий планету с Солнцем, за равные промежутки времени заметает равные площади. Время, необходимое для того, чтобы сделать один оборот по орбите, называется периодом обращения P. Для Земли он равен одному году, тогда как для Плутона Р = 248 лет. Величины P и a связаны между собой очень простой зависимостью, в которой P пропорционально a ^3/2:

P = ka ^3/2,

 

где k – коэффициент пропорциональности. Не удивительно, что P возрастает при увеличении a, так как орбита становится большей. Однако если бы действовала только эта причина, то P было бы пропорционально a. Дополнительная чувствительность периода к изменению большой полуоси вызвана тем, что с ростом a уменьшается скорость движения планеты по орбите. Для Солнечной системы если P измеряется в годах, а a – в астрономических единицах, то k = 1, в результате чего P = a ^3/2.

Таким образом, мы пришли к трем важнейшим законам планетного движения. Их называют законами Кеплера по имени немецкого астронома Иоганна Кеплера, объявившего об открытии первых двух из них в 1609 г. и третьего в 1619 г. В настоящее время они формулируются следующим образом:

Первый закон: Каждая планета движется вокруг Солнца по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон: По мере движения планеты по орбите радиус-вектор, соединяющий ее с Солнцем, за равные промежутки времени заметает равные площади.

Третий закон: P = ka ^3/2, где (для Солнечной системы) k = 1, если P измеряется в годах, а a – в астрономических единицах.

Уже после открытия этих законов было показано, что к этим же соотношениям приводят фундаментальные физические теории, а именно ньютоновские законы движения и закон всемирного тяготения, сформулированные во второй половине ХVII века английским ученым Исааком Ньютоном (см. тексты по физике в «Приложениях»).

Помимо планет в Солнечной системе имеются и меньшие тела. Вокруг Солнца, главным образом в области между орбитами Марса и Юпитера, обращаются несколько тысяч малых планет – астероидов. Это каменистые тела обычно поперечником несколько километров. В отличие от них ядра комет представляют собой смеси мелких каменистых частиц и других веществ, в основном воды в состоянии льда. Эти небольшие каменисто-ледяные объекты происходят из двух областей пространства. Пояс Эджворта – Койпера (ЭК) содержит тела, обращающиеся по орбитам с довольно малым наклонением. Он простирается от расстояния 34 а.е. до, по крайней мере, 50 а.е., а возможно, и дальше до слияния с облаком Оорта. Последнее имеет форму толстой сферической оболочки, содержащей каменисто-ледяные тела и простирающейся приблизительно от 10³ а.е. (а может быть, 10⁴ а.е.) вплоть до самой границы Солнечной системы (около 10⁵ а.е.).

Объекты пояса ЭК находятся довольно близко к Земле, и их можно видеть в телескоп как крошечные точки, тогда как облако Оорта от нас чрезвычайно далеко. О существовании этого облака свидетельствуют те его представители, которые вследствие возмущений своего движения проникают во внутреннюю часть Солнечной системы, где у них образуются колоссальные и эффектные хвосты. Кометные хвосты состоят из газов, испаряющихся с ледяной поверхности под действием солнечного тепла, и из частиц пыли, захваченных этими газовыми потоками (фото 1). Другие кометы являются членами пояса ЭК, также испытавшими возмущения, в результате которых они попали во внутреннюю область Солнечной системы.

В табл. 1.1 приводятся элементы орбит a, e и i, а также периоды обращения P для планет и самого большого астероида (Церера). У большинства планет имеются еще спутники, о которых говорится в разд. 1.1.4.

Таблица 1.1. Элементы орбит a, е, i и периоды обращения P планет и крупнейшего астероида Церера (2003 г.)

 

	Меркурий	Венера	Земля	Марс	Церера	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
a (а.е.)	0,387	0,723	1,000	1,524	2,766	5,202	9,581	19,13	29,95	39,4
е	0,206	0,0067	0,0167	0,0936	0,0794	0,0490	0,0574	0,0499	0,0096	0,249
i (°)	7,00	3,39	0,00	1,85	10,6	1,30	2,49	0,77	1,77	17,2
P (годы)	0,241	0,615	1,000	1,881	4,600	11,86	29,65	83,67	163,9	247,7

 

 

1.1.2. Солнце как небесное тело

 

Жизнь за пределом Земли мы рассчитываем обнаружить на планетах и их крупных спутниках. Но на их поверхностях не возникли бы условия, благоприятные для жизни, если бы они не получали тепло и свет от звезды, вокруг которой обращаются. В Солнечной системе такой звездой служит Солнце. Благодаря чему же Солнце излучает энергию, и как долго это может продлиться?

 

Рис 1.3

На рис. 1.3 схематически изображен поперечный разрез нашего светила в том виде, каким он сейчас представляется ученым. Наружная оболочка имеет практически тот же химический состав, какой имело всё Солнце, когда оно образовалось 4,6 млрд. лет назад из межзвёздных газа и пыли. Количественное соотношение масс таково: 71% водорода, 27% гелия и 2% всех остальных, так называемых тяжелых элементов. Это сильнейшим образом контрастирует с Землей, где свыше 99% массы приходится на тяжёлые элементы. Ядро Солнца когда-то имело первичный состав, но с тех пор в результате ядерных реакций оно обогатилось гелием за счет водорода. Именно благодаря этому процессу не прекращается выделение солнечной энергии.

Ядерные реакции происходят в результате столкновений между атомными ядрами. В ядре содержится почти вся масса атома, и оно обладает положительным электрическим зарядом, равным по величине отрицательному заряду электронов, окружающих ядро. Носителями заряда в ядре служат протоны. Тип химического элемента определяется числом протонов в ядре его атома. Ядро атома водорода (Н) содержит один протон, гелия (Не) – два, а, скажем, железа – 26. В ядре могут также присутствовать нейтроны, имеющие почти такую же массу, как протон, но не обладающие электрическим зарядом. При одном и том же числе протонов количество нейтронов бывает разным, и это их число определяет различные изотопы данного элемента. Почти весь водород в составе Солнца и вообще во Вселенной не содержит в своём ядре нейтронов. Иными словами, его ядро имеет самую простую из всех возможных структуру – состоит из одного протона и обозначается буквой «р» (т.е. «протон») или ¹Н, где цифра 1 указывает на то, что сумма числа протонов и нейтронов в ядре равна единице. Около 0,01% всех ядер водорода содержат по одному нейтрону и поэтому обозначаются ²Н. В виде исключения этому изотопу присвоено название – дейтерий, и обозначение – D. Еще один изотоп водорода, тритий, имеет в ядре два нейтрона, но является нестабильным и быстро распадается. В ядре обычного изотопа гелия ⁴Не содержится два нейтрона.

Внутри Солнца господствуют очень высокие температуры, при которых атомы сталкиваются друг с другом на таких больших скоростях, что с них срываются электронные оболочки. В результате атомные ядра движутся как бы в «море» электронов. Подобная среда называется плазмой. Когда ядра сталкиваются друг с другом с достаточной энергией, происходят ядерные реакции. Поскольку энергия их столкновений обусловлена беспорядочными тепловыми движениями, такие реакции называют термоядерными. Для возбуждения этих реакций требуется тем меньшая энергия, чем меньше протонов в ядре, поскольку электростатическое отталкивание между ядрами при этом слабее. Следовательно, преимущество имеют ядра водорода, к тому же самые обильные в составе Солнца. Поэтому важнейшую роль играют именно термоядерные реакции с участием водорода. Преобладающие в недрах Солнца реакции показаны в виде пиктограмм на рис. 1.4. Суммарным результатом этого термоядерного синтеза является слияние четырех ядер ¹Н в одно ядро ⁴Не:

4 ¹Н ® ⁴Не + 2 е⁺ + 2 n_е + 2 g. (1.2)

 

Рис 1.4

 

Здесь участвуют ещё такие элементарные частицы, как позитроны е⁺ (положительно заряженные электроны) и нейтрино n_е (частицы с очень малой массой, практически не вступающие ни в какие реакции с другими частицами), а также гамма-лучи g (коротковолновое электромагнитное излучение).

Тип реакций, показанный на рис. 1.4, называют ррI-циклом, где "рр" указывает, что реакция начинается при столкновении двух протонов (р), а "I" – что существуют и другие рр-циклы. Встречаются ещё два подобных цикла – ррII и ррIII, и они тоже превращают водород в гелий. Но основное выделение солнечной энергии происходит именно в результате ppI-цикла. Энергия возникает в процессе превращения массы в энергию согласно знаменитой формуле Эйнштейна Е = mc ², где с – скорость света, равная 2,998 ´ 10⁸ м/с. Сумма масс в левой части уравнения реакции (1.2) несколько больше, чем в правой. Соответствующая этой разности масс энергия выделяется в виде кинетической энергии электрона и нейтрино, но в основном в виде энергии гамма-лучей.

Реакции рр-цикла происходят в центральном ядре Солнца (рис. 1.3). По всему Солнцу температура возрастает с глубиной, и по мере её роста интенсивность этих процессов быстро увеличивается. Наблюдается быстрый переход от очень низкой скорости реакций чуть выше границы ядра к значительно более высокой скорости сразу же под его границей. На поверхности ядра температура около 8 ´ 10⁶ K (кельвин). Реакции ppI-цикла обеспечивают существование температурного градиента, который, в свою очередь, поддерживает градиент давления, позволяющий Солнцу противостоять силе тяжести, действующей в направлении его центра. Таким образом, Солнце находится в состоянии механического равновесия, т.е. не сжимается и не расширяется. Наряду с этим оно характеризуется энергетическим равновесием, при котором скорость генерирования энергии в ядре равна скорости, с которой Солнце теряет энергию, уходящую из него в окружающее пространство; главным образом – в форме электромагнитных волн, и лишь небольшую долю ее уносят нейтрино и другие частицы. Хотя источник электромагнитного излучения находится в солнечном ядре, в космическое пространство оно выходит из тонкого поверхностного слоя Солнца, называемого фотосферой.

Рис 1.5

 

Основная часть выделяемого фотосферой излучения представляет собой всем знакомый видимый свет плюс инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Всё это можно видеть в составе солнечного спектра, схематически изображённого на рис. 1.5. Плавной пунктирной кривой здесь показан спектр излучения идеального теплового источника, называемого абсолютно чёрным телом. Форма спектра абсолютно чёрного тела зависит только от его температуры, и кривая на рис. 1.5 относится к телу с температурой 5780 K. Ход этой кривой очень близок к солнечному спектру, и поэтому мы рассматриваем 5780 K как характерную температуру фотосферы (локальная температура различна в разных точках). Выбор этого точного значения объясняется тем, что мощность потока излучения, испускаемого элементарной площадкой абсолютно чёрного тела с температурой 5780 K, равна мощности излучения с типичной единичной площадки поверхности Солнца. Отсюда следует, что 5780 K – это эффективная температура Солнца. Суммарная мощность потока излучения Солнца по всем длинам волн со всей его поверхности называется светимостью Солнца и равна 3,85 ´ 10²⁶ Вт (ватт).

Сконденсировавшись из межзвёздных газа и пыли, Солнце прекратило своё сжатие 4,6 млрд. лет назад, когда в его ядре началась термоядерная реакция слияния водорода, энергия которой привела нашу звезду в равновесие. Но это равновесие вовсе не идеально: за истекшее время светимость Солнца постепенно увеличилась, а вначале она составляла около 70% от её современного значения. Немного возросла и температура фотосферы. Существуют ещё более короткопериодические, но гораздо более слабые, флуктуации. Они наблюдаются, например, в ходе 11-летнего цикла солнечной активности, который прослеживается в прошлое на сотни лет. В будущем Солнце продолжит медленно эволюционировать. Примерно через 6 млрд. лет скорость изменений возрастёт. К тому времени в ядре иссякнет водород и, следовательно, закончится стадия главной последовательности, т.е. фаза термоядерного синтеза гелия в ядре. На этой стадии существования звезду называют "звездой главной последовательности". Итак, Солнце прошло почти половину своей стадии главной последовательности. Что будет происходить после этого – мы рассмотрим в гл. 7, где будем говорить также о последствиях продолжающейся солнечной эволюции для жизни в Солнечной системе.

 

1.1.3. Планеты как небесные тела

Рис 1.6

Планеты самым интригующим образом отличаются друг от друга. Это видно даже по их внешнему облику, что иллюстрируют фотографии 2 – 9. Они различаются также своими размерами, как видно на рис. 1.6, где для сравнения приведено и Солнце. Четыре внутренние планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – называются планетами земной группы. Это связано с тем, что в их составе преобладают каменистые материалы (включая металлическое железо). Летучие вещества, такие, как вода, а также газы, образующие атмосферу любой планеты, играют важную роль, но они составляют лишь крошечную долю массы у всех планет земной группы. В отличие от них в составе планет-гигантов Юпитера и Сатурна доминируют водород и гелий, хотя эти планеты, особенно Сатурн, содержат в несколько раз больше тяжёлых элементов, чем Солнце, где их 2%.К планетам-гигантам относят также Уран и Нептун, хотя они имеют промежуточные размеры между планетами земной группы и Юпитером, и более половины их массы состоит из воды, а на водород и гелий приходится всего порядка 10% массы. Поэтому их иногда называют водными планетами. Плутон – небольшая ледяная планета: в составе льда – вода, метан и другие вещества. Нанесём теперь краткий визит в каждый из этих миров.

На поверхности Меркурия (фото 2) видно множество кратеров, образованных ударами космических тел. Количество кратеров на поверхности увеличивается со временем, если только их не уничтожают геологические процессы (скажем, вулканизм) либо эрозия. Поэтому обилие ударных кратеров на Меркурии свидетельствует об отсутствии на этой планете геологической деятельности и выветривания, что вполне совместимо с практически полным отсутствием у Меркурия атмосферы в нынешнюю эпоху. Почти наверняка можно сказать, что и в прошлом у него не было заметной атмосферы. Близость Меркурия к Солнцу приводит к тому, что днем температура поверхности этой планеты достигает примерно 700 K, а в ночные часы из-за крайней разрежённости атмосферы и медленного вращения планеты ее поверхность охлаждается до 90 K. Вычитая 273, мы получим более привычные для нас значения температуры в градусах Цельсия – соответственно 427 и –183 °C. Далее для планет мы будем указывать температуру в градусах Цельсия, а для звёзд – в кельвинах.

Венера (фото 3) постоянно окутана облаками. Это не те облака, которые знакомы нам по земной атмосфере и содержат водяной пар. Облака Венеры в основном состоят из капель серной кислоты (H₂SO₄). Они располагаются на большой высоте в плотной сухой атмосфере из диоксида углерода (СО₂), где в течение долгого времени поддерживаются условия для существования колоссального парникового эффекта, из-за которого средняя температура поверхности поднялась до 460 °C. Даже на полюсах планеты, благодаря плотной атмосфере и облачному покрову, отсутствуют зоны пониженной температуры. На поверхности Венеры мало ударных кратеров, но много вулканов и повсюду имеются свидетельства вулканической деятельности. Широкое распространение вулканов в сочетании с выветриванием под действием атмосферных агентов привело к стиранию с поверхности Венеры ударных кратеров.

Земля (фото 4) – единственная из планет земной группы, на поверхности которой в изобилии присутствует вода в жидком виде. Более 70% её поверхности покрывают океаны. Около половины поверхности Земли, как правило, окутано облаками, состоящими из частиц воды – в форме либо жидких капель, либо ледяных частиц. Атмосфера гораздо менее массивна, чем у Венеры, - масса столба атмосферного воздуха, приходящаяся на единицу площади поверхности, равна 1,03 ´ 10⁴ кг/м², тогда как для Венеры эта величина составляет 102 ´ 10⁴ кг/м². Хотя водяной пар присутствует в земной атмосфере, основные её составляющие – кислород (О₂) и азот (N₂) c незначительной долей СО₂. В геологическом отношении Земля очень активна – на ней много действующих вулканов и наблюдается такое уникальное для Солнечной системы явление, как тектоника плит. Наружная каменная оболочка Земли – литосфера – разделена на несколько десятков плит, перемещающихся относительно друг друга. На некоторых границах между литосферными плитами происходит наращивание материала и образование новых плит; вдоль других границ плиты скользят в противоположных направлениях; а на тех границах, где один литосферный блок погружается под другой, плиты разрушаются. Вследствие геологической активности и атмосферной эрозии следы ударных кратеров встречаются крайне редко.

Марс (фото 5) в одном отношении напоминает Венеру – у него тоже есть атмосфера, состоящая главным образом из СО₂, но во многих других отношениях это совершенно иная планета, отличающаяся также и от Земли. Масса столба его атмосферы составляет всего 0,015 ´ 10⁴ кг/м². Столь разрежённая атмосфера, реденький облачный покров и удалённость от Солнца делают климат Марса довольно холодным. В хорошую погоду днём на экваторе температура может достигать примерно 10 °С, однако ночью она понижается до –100 °С и даже ещё ниже. Поверхность Марса делится на две приблизительно равные по площади части. В северном полушарии наблюдаются явные признаки геологической деятельности, вероятно относящейся к прошлым эпохам, и, соответственно, низкая плотность ударных кратеров. Южное полушарие носит следы гораздо более интенсивной бомбардировки, имеет мало свидетельств геологической активности и содержит признаки того, что на ранней стадии своей истории климат Марса, вероятно, был более тёплым и влажным. Сейчас вода наблюдается только в твёрдой фазе: в полярных шапках (фото 5), в виде инея, образующегося в некоторых местах по ночам (фото 15), в редких облаках, состоящих из ледяных кристаллов; хотя на некоторой глубине под марсианской поверхностью, вероятно, может присутствовать жидкая вода. Мы подробнее рассмотрим Марс в гл. 5, поскольку шансы найти внеземную жизнь там наиболее велики.

Мир Юпитера (фото 6) совершенно не такой, как любой из планет земной группы. У него вообще нет поверхности в буквальном смысле этого слова. Его атмосфера в основном содержит водород и гелий примерно в той же пропорции, как у Солнца. По мере продвижения в глубину атмосферы она становится плотнее и горячее; в конце концов мы попадаем в глобальный океан из сильно разогретых водорода и гелия. Более тяжёлые элементы, вероятно, сконцентрировались вблизи центра планеты в виде горячего ядра из жидкой воды и расплавленных пород. Наблюдая снаружи, мы видим верхнюю часть самого верхнего слоя облаков с отдельными проблесками облачных слоёв из гидросульфида аммония (NH₄SH) и воды на ещё большей глубине. Самые верхние облака образованы замёрзшими частицами аммиака (NH₃), окрашенными каким-то неизвестным для нас образом; в результате атмосферной циркуляции из них формируются полосы и вихри. Самый крупный из таких вихрей, который виден на фото 6, - это Большое Красное Пятно, существующее, по меньшей мере, 100 лет, а возможно, и гораздо дольше. Сатурн (фото 7), если не считать его огромных колец, состоящих их мелких частиц, в какой-то степени похож на Юпитер, хотя он немного меньше его по размерам, содержит больше тяжёлых элементов, а детали строения облаков скрыты атмосферной дымкой.

Уран (фото 8) и Нептун (фото 9) также обладают атмосферами, богатыми водородом и гелием, но в целом данные элементы не являются там преобладающими. Вероятно, Уран и Нептун имеют четко выраженные поверхности, где происходит переход к главным составляющим – жидкой воде со значительной долей аммиака (NH₃) и метана (СН₄), но в любом случае эти поверхности скрыты атмосферной дымкой и облаками. Заметим, что, хотя воду, NH₃ и CH₄ называют льдами, это просто обозначает химическую группу и вовсе не указывает на то, что они непременно присутствуют в твердом состоянии (т.е. в виде льда). И действительно, в недрах этих планет царят столь высокие температуры, что льдистые вещества не могут находиться в замёрзшем состоянии.

Плутон отличается от всех прочих планет своим малым размером (рис. 1.6) и составом. Основная доля его объема, вероятно, сложена замёрзшей водой, но имеются также каменистые вещества, очевидно, концентрирующиеся в ядре. Планета находится далеко от Солнца, поэтому её поверхность имеет очень низкую температуру, не превышающую примерно –210 °С, и покрыта льдами из летучих веществ, таких, как N₂, CH₄ и окись углерода СО. Плутон не похож на другие планеты Солнечной системы, но весьма напоминает некоторые их крупные спутники. Всё чаще его рассматривают как крупнейший среди известных членов пояса ЭК.

В табл. 1.2 приведены некоторые свойства Солнца и планет. Отметим, что радиусы планет-гигантов указаны по уровню в атмосфере у экватора, где давление равно 10⁵ Па (паскаль). Это близко к атмосферному давлению у земной поверхности.

 

Таблица 1.2. Некоторые характеристики Солнца, планет и крупнейшего астероида Церера.

	Cолнце	Меркурий	Венера	Земля	Марс	Церера	Юпитер	Сатурн	Уран	Нептун	Плутон
Радиус^i, км							71 490
Масса^ii (отн.Земли)		0,0553	0,815		0,107	0,00018		95,2	14,5	17,2	0,0025
Основные вещества	Водо- род + гелий	Каменис- тые^iii+ железо	Каме-нистые +железо	Каме- нистые +железо	Каме- нистые +железо	Камени- стые + железо	Водо-род + гелий	Водо-род + гелий	Льди- стые^iii	Льди- стые	Льдистые + камени-стые

ⁱ Значение радиуса на экваторе.

ⁱⁱ Масса Земли 5,974 ´ 10²⁴ кг.

ⁱⁱⁱ «Каменистые» и «льдистые» - обозначения групп элементов без указания на их твёрдое или жидкое состояние.

 

 

1.1.4. Крупные спутники

 

Рис 1.7

 

 

Спутник – это небесное тело, обращающееся по орбите вокруг планеты и вместе с ней – вокруг Солнца, а не по своей собственной орбите вокруг светила. В Солнечной системе много спутников и почти все они обращаются вокруг планет-гигантов. Из семи крупнейших спутников шесть принадлежат планетам-гигантам, и только один – наша Луна. На рис. 1.7 можно видеть сравнительные размеры этих семи спутников и трёх наименьших планет – Марса, Меркурия и Плутона. Ио, Европа, Ганимед и Каллисто – это галилеевы спутники Юпитера, названные так по имени знаменитого итальянского астронома Галилео Галилея, который открыл их в 1610 г. во время одного из первых своих наблюдений ночного неба с помощью недавно изобретённого телескопа. Титан – спутник Сатурна, Тритон – Нептуна. Показаны также самый большой из остальных спутников – спутник Урана Титания и самый крупный астероид Церера. Размеры последних уже значительно меньше. В противоположность этому между планетами и спутниками нет такой большой разницы в размерах. Действительно, два крупнейших спутника – Ганимед Юпитера и Титан Сатурна – больше Меркурия, и все семь спутников больше Плутона. Если бы эти крупные спутники обращались вокруг Солнца по своим собственным орбитам, их можно было бы рассматривать как планеты, и они, в самом деле, представляют собой планетные тела, состоящие изо льда и камней или только из камней. На фото 10 – 13 показаны Ио, Европа и Титан.

Как вы узнаете в гл. 6, в настоящее время из всех спутников в Солнечной системе с точки зрения обнаружения жизни наиболее велики шансы у Европы. Она представляет собой каменистое тело, хотя при наблюдении извне и не производит такого впечатления (фото 11). Вся Европа покрыта чехлом из замёрзшей воды, под которым, вероятно, находится жидкая вода. Именно возможность существования обширного океана делает Европу перспективным объектом для поисков жизни.

 

1.2. Происхождение Солнечной системы

 

Рис 1.8