какое научное и практическое значение имеет изучение планет земной группы
1. Пользуясь справочными данными учебника, заполните таблицу с основными физическими характеристиками планет земной группы.
Заполните таблицу, сделайте выводы и укажите сходства и различия между планетами земной группы.
Выводы: Планеты земной группы практически все имеют одинаковые плоскости близких массы. Планеты земной группы, кроме Меркурия, имеют атмосферу.
2. На графиках показаны зависимости давления и температуры в атмосфере Венеры. На основе анализа графиков ответьте на вопросы.
На какой высоте давление атмосферы Венеры равно атмосферному давлению у поверхности Земли? (Примерно 50 км.)
Чему равна температура атмосферы Венеры на данной высоте? (Около 330К, или +50 °C.)
3. С помощью рисунка опишите внутреннее строение Земли.
4. Закончите предложения.
Вариант 1.
Самый большой перепад дневной и ночной температур поверхности у планеты Меркурий.
Высокая температуры поверхности Венеры обусловлена парниковым эффектом.
Планета земной группы, средняя температура поверхности которой ниже 0 °C, — это Марс.
Большая часть поверхности покрыта водой у планеты Земля.
В состав облаков входят капельки серной кислоты у планеты Венера.
Вариант 2.
Планета, суточный перепад температур поверхности которой составляет около 100 °C, — это Марс.
Планеты, температуры поверхности которых бывает выше +400 °C, — это Меркурий и Венера.
Планета, в атмосфере которой часто происходят глобальные пылевые бури, — это Марс.
Практически не имеют атмосферы планета Меркурий.
Планета, обладающая биосферой, — это Земля.
5. Какие физические характеристики планеты необходимо знать, чтобы вычислить её среднюю плотность?
Необходимо знать массу планеты и её средний радиус. Средняя плотность определяется делением массы на объём планеты.
Планеты земной группы
Планеты земной группы
Учебно-школьная серия диапозитивов по астрономии для X класса
К сведению учителя
Серия диапозитивов «Планеты земной группы» предназначена для использования на уроках астрономии в X классе.
Цель серии – помочь учащимся повторить, закрепить и расширить знания о планетах земной группы.
К сожалению, значительное число учащихся не имеют возможности наблюдать в природе те астрономические явления, которые они изучают в школе. Данная серия не может заменить им непосредственных наблюдений, но позволит увидеть изображения поверхностей планет, выполненные космическими аппаратами. При этом важно подчеркнуть, что изучение планет с помощью космических аппаратов существенно раздвинуло границы наших знаний о Солнечной системе.
В эту серию из 20 диапозитивов вошел материал, имеющий прямое отношение к теме. Однако она не может охватить всего, что можно было бы показать при изучении планет земной группы.
В серии использованы в основном фотографии. Только пять диапозитивов – схемы и карты (планеты на орбитах, строение атмосферы Венеры, две карты поверхности Венеры и схема орбит Земли и Марса) – предназначены для пояснений.
Восемь диапозитивов посвящены Марсу. Это обусловлено тем, что из всех планет Марс, видимо, будет первой планетой, на которую полетят люди. Возможно, это произойдет в XXI веке.
Шесть диапозитивов посвящены Венере. Этой ближайшей к Земле планете было уделено особое внимание советских ученых, сумевших получить о ней впечатляющие данные.
Как использовать серию диапозитивов? Видимо, по-разному. Но целесообразнее – после изучения темы, на заключительном уроке. При этом важно остановить внимание учащихся на следующих вопросах:
1. В чем состоит сходство планет земной группы?
2. Чем объясняются значительные различия отдельных планет, принадлежащих одной группе?
3. Каковы особенности наблюдения внутренних планет (Меркурия и Венеры) и Марса?
4. Почему основные сведения о поверхностях, атмосферах и условиях на планетах получены не с помощью телескопов, а с помощью космических аппаратов?
5. Земля и Венера по размерам и массам почти одинаковы. Почему же так значительно отличаются условия на их поверхностях?
6. На Марсе и сейчас воды достаточно. Почему же вся его поверхность – пустыня?
7. Почему на Меркурии и Марсе так много кратеров по сравнению с Землей и Венерой?
8. Какое научное и практическое значение имеет изучение планет земной группы?
Описание диапозитивов
Диапозитив 1. Планеты земной группы.
К планетам земной группы относятся четыре ближайшие к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. В отличие от планет-гигантов они имеют небольшие размеры и массы, но сравнительно большую плотность. Планеты медленно вращаются вокруг своих осей. У Земли один спутник, у Марса – два, у Меркурия и Венеры спутников нет. На диапозитиве сравниваются массы и радиусы планет и Земли.
Планеты земной группы являются спутниками Солнца и имеют общее происхождение. У них в отличие от планет-гигантов незначительные атмосферы (самая плотная у Венеры) и твердые поверхности (большая часть поверхности Земли занята водой).
Однако, кроме сходства, у планет земной группы наблюдаются значительные различия. Например, Венера вращается в обратную сторону, чем остальные планеты. Если Меркурий практически не имеет атмосферы, то по сравнению с земной атмосфера Венеры плотнее в 90 раз, а марсианская, наоборот, почти в 150 раз менее плотная. Атмосферы Венеры и Марса в отличие от земной почти целиком состоят из углекислого газа.
Диапозитив 2. Видимость планет на небе.
На небе не всегда среди звезд можно найти планеты. Во-первых, не всегда во время наблюдений на небе есть хотя бы одна планета, а во-вторых, надо знать, чем планета отличается по виду от звезды.
Очень трудно наблюдать Меркурий. Он как бы все время прячется в солнечных лучах, появляясь то справа от Солнца (утренняя видимость), то слева (вечерняя видимость).
Венера тоже появляется то правее Солнца – утром, то левее – вечером.
На диапозитиве запечатлена утренняя видимость ущербленной Луны, Венеры и Юпитера (выше и правее Венеры), а у горизонта (левее Луны) виден Меркурий.
Диапозитив 3. Мозаика снимков поверхности Меркурия.
В ландшафте Меркурия преобладают многочисленные кратеры. Отчетливо видны также бассейны и равнины. Гигантский бассейн Калорис (от лат. calor – тепло) расположен в средней части диска планеты, наполовину появившейся из ночной тени.
Диапозитив 4. Бассейн Калорис.
Этот громадный бассейн, наполовину скрытый на ночной стороне планеты – самое крупное одиночное образование на Меркурии. Внешний край бассейна очерчен кольцом гор диаметром 1300 км. Горы поднимаются на высоту 2 км над складчатым дном бассейна. Приблизительно 3–4 млрд. лет назад астероид обрушился на планету. Это столкновение вызвало разрыв мантии. Из недр планеты хлынула лава и затопила гигантский кратер. Затем лава застыла и затвердела, но «волны» на море расплавленной породы сохранились.
Диапозитив 5. Меркурий, районы, прилегающие к северному полюсу.
На всей планете встречаются крутые уступы с мелкими зубцами высотой обычно 1–2 км и длиной в несколько сотен километров. Уступы – это гигантские складки, образовавшиеся в коре Меркурия в процессе остывания и сжатия ядра планеты.
На приведенном снимке, полученном с помощью космической станции «Маринер-10», на самом краю планеты виден крутой обрыв, названный уступом Виктория. Размер области в нижней части снимка составляет приблизительно 600 км.
Диапозитив 6. Венера.
С Земли в телескоп Венера кажется маленьким серпиком. Заметить какие-либо подробности нельзя: видна только светлая поверхность. Сплошные белые облака полностью скрывают поверхность планеты.
Облачный покров Венеры в видимых лучах однороден, структуру облаков можно обнаружить в ультрафиолетовых лучах.
На диапозитиве – фотография, полученная в 1974 году с помощью космической станции «Маринер-10» с расстояния 720000 км. Видны мощные вихри облаков, спирально закручивающихся у полюсов. Облака совершают оборот вокруг планеты за четыре дня.
Диапозитив 7. Строение атмосферы Венеры.
Высота верхней границы облаков достигает 65 км, а нижней – 35 км от поверхности планеты.
На верхней границе облаков отмечена температура около минус 50° С, у поверхности планеты – плюс 475° С.
Атмосферное давление на высоте около 50 км равно 1 атм., а на уровне грунта – 90 атм.
Атмосфера Венеры состоит на 97% из углекислого газа, на 2% из азота, остальные газы – 1%.
Диапозитив 8. Карта рельефа Венеры.
Приведенная карта выполнена по радиолокационным измерениям, которыми охвачено примерно 80% поверхности планеты. Окраска карты дана условно: красный, оранжевый, желтый и зеленый цвета обозначают горные области, темно-синий и фиолетовый – низменности, а голубой, которого на карте больше всего, – волнистые равнины.
В отличие от Земли с ее дифференцированными тектоническими плитами Венера представляет собой планету с цельной корой, своего рода сверхконтинент.
Низменности на Венере составляют 16% поверхности (на Земле океанские бассейны занимают примерно 2/3 поверхности), волнистые равнины – 60% поверхности.
Крупнейшие горные районы Венеры – Земля Иштар в северном полушарии и Земля Афродиты у экватора.
Нулевой уровень соответствует радиусу 6051,0 км над центром масс Венеры.
В северном полушарии наблюдается самый большой перепад высот – 13,6 км. Горы Максвела имеют высоту плюс 11.1 км, а наибольшая глубина равнины Аталанты достигает минус 2.5 км.
Диапозитив 9. Панорама поверхности Венеры.
В 1975 году на поверхности Венеры совершили посадку две советские станции – «Венера-9» и «Венера-10», которые передали ее панорамы.
«Венера-10» совершила посадку к юго-востоку от области Бета – в каменистую пустыню. Крупная каменная глыба, на которую опустился аппарат, не менее 3 метров в поперечнике, испещрена темными пятнами и погружена в темный грунт.
Место посадки «Венеры-9» находится на северовосточной оконечности области Бета в 2000 км от места посадки «Венеры-10».
Размер наибольших камней здесь 50-70 см, а высота всего 15-20 см. Происхождение ландшафта, видимо, обусловлено разрушением горных пород.
Диапозитив 10. Цветная панорама поверхности Венеры.
С помощью советских космических аппаратов «Венера-13» и «Венера-14», совершивших посадку на планету в 1982 году, были получены цветные панорамы места посадки. На диапозитиве видна каменистая пустыня и множество отдельных камней.
Здесь рентгено-флюоресцентным методом удалось определить содержание основных петрогенных элементов камней, то есть их минералогический и химический состав.
Диапозитив 11. Северное полушарие Венеры.
С помощью советских космических станций «Венера-15» и «Венера-16», выведенных на орбиты вокруг планеты, были получены радиолокационные изображения поверхности. Аппараты снимали северное полушарие Венеры. Каждая полоса снимков охватывала по ширине 150 км, а по длине 7–9 тыс. км. На основании этих снимков (30 сеансов передавались с 30.03.83 по 06.05.84 года) была создана первая карта северного полушария Венеры.
Карта охватывает миллионы квадратных километров. В итоге выделены 4 основных типа структур северного полушария Венеры: 1) вулканические базальтовые равнины и повышенное плато Лакшми; 2) вулкано-тектонические образования (области Бета и Белл) и кольцевые структуры; 3) тектонические дислокации; 4) ударные кратеры. По их плотности определен возраст вулканических равнин: 0.5–1.0 млрд. лет.
Диапозитив 12. Земля.
На диапозитиве – фотография нашей планеты, сделанная с борта космического аппарата «Зонд-7» с высоты около 60 тыс. км. Из космоса Земля не похожа на глобус, какой мы привыкли видеть в школе. Не сразу различишь материки и океаны. Значительную часть земной поверхности закрывают облака. Наличие жидкой воды и атмосферы, в которой кислород находится в свободном состоянии, отличает Землю от других планет. Благодаря Солнцу идет бесконечный круговорот воды на Земле. Не было бы Солнца, не было бы жизни на Земле – главного отличия нашей планеты от других.
Диапозитив 13. Орбиты Земли и Марса.
Марс лучше всего наблюдать во время противостояний, когда к Земле обращено все освещенное Солнцем полушарие планеты. Противостояния Марса происходят каждые 780 дней. Но так как орбита Марса заметно эллиптична, то расстояния до Марса во время противостояний различны: от 55 млн. км (великое противостояние) до 100 млн. км. Великие противостояния повторяются через 15 или 17 лет и бывают всегда в июле – сентябре. В это время Марс становится самым ярким объектом неба после Венеры. Его яркий красноватый цвет привлекает к себе внимание.
Очередное великое противостояние Марса произойдет 10 июля 1986 года. Расстояние до него будет около 60 млн. км.
Более тесное сближение Земли с Марсом произойдет во время противостояния в сентябре 1988 года. А противостояние 1990 года уже не будет великим. Так же как и последующие, отмеченные на диапозитиве.
Диапозитив 14. Марс.
На диапозитиве – лучший снимок Марса, сделанный с Земли при помощи 60-дюймового телескопа. Оранжевый цвет Марса определяется породами, содержащими соединения железа с кислородом. Темные пространства получили название «морей», а светлые – «материков». На снимке заметна южная полярная шапка, состоящая из льда и замерзшего углекислого газа. Изображение телескопическое, то есть перевернутое.
Диапозитив 15. Марс. Снимок из космоса
На фотографии, сделанной в 1976 году с борта межпланетной станции «Викинг-1», виден Марс в фазе первой четверти (кстати, в такой фазе с Земли он никогда не бывает виден). У планеты два геологически отличающихся друг от друга полушария. Одно покрыто сильно выветрившимися кратерами, возникшими от падения больших метеоритов. На нем нет следов тектонической деятельности. На втором полушарии есть каньонообразная долина длиной несколько тысяч километров, шириной местами до 250 км и глубиной до 6 км. Поблизости от каньона находятся четыре гигантских конуса вулканов, погасших, вероятно, несколько тысяч лет назад. Слева, выше середины снимка, видны легкие облака, в нижней части – область, прилегающая к южному полярному району, покрытая тонким слоем облаков (водяным инеем), а ближе к полюсу – замерзшая углекислота вместе с инеем.
Терминатор проходит большое кратерное море Аргир диаметром около 800 км. Выше и несколько правее покрытого инеем Аргира – большая темная область – Эритрейское море и Центральный залив. Справа у лимба, выше середины – две полосы. Это гигантский каньон – долина Маринера. Его западная оконечность переходит в разветвленную систему трещин, охватывающих район Лабиринта Ночи, размерами в сотни километров.
Диапозитив 16. Марсианская пустыня.
На фотографии поверхности Марса, сделанной с борта станции «Викинг-1» в 1976 году, – каменистая пустыня, на которой отчетливо видны небольшие камни. Красноватая окраска поверхности вызвана породами, содержащими окиси железа (как охра или ржавчина).
Окраска неба красноватая, а не голубая, как на Земле. Аппаратура «Викинга» не выявила наличия жизни на этой планете.
Диапозитив 17. Марс. Плато Лабиринт Ночи.
Изображение диапозитива составлено из снимков, сделанных орбитальным блоком «Викинга-1».
В жидком состоянии на Марсе воды нет. Некоторое количество водяных паров присутствует в атмосфере. На этой фотографии запечатлен редкий момент возникновения облаков, состоящих из насыщенного пара, в тот момент, когда Солнце восходило над плато Лабиринт Ночи. Оно представляет собой окончание гигантского каньона – долины Маринера, расположенной южнее экватора. В глубоких местах долины за несколько десятков минут образовался утренний туман. После того как Солнце прогрело атмосферу Марса, туман рассеялся.
Диапозитив 18. Участок Марса в районе Капри.
Фото выполнено «Викингом-1» в 1976 году с высоты 2300 км от поверхности. Это район каньона Капри. Север находится внизу. В нижней части снимка виден хаос Ароматов и выходящая из него долина Рави. Вверху слева – кратер Жуланка диаметром 47 км (от названия поселка в Новосибирской области), правее кратер Уиндфол диаметром 16 км. Размер снимка охватывает площадь 300×300 км. Каньон, по всей вероятности, образовался в результате таяния грунтового льда. Провал справа от головы каньона, видимо, образовался в том месте, где на поверхность выступила вода.
Диапозитив 19. Русла на поверхности Марса.
На снимке, сделанном «Викингом-1», запечатлена местность возвышенности Лунное плато. Размер местности 300×400 км. Наверху – долина Ведра, внизу – долина Маджа.
Русла, очевидно, оставлены реками с хорошо развитой системой притоков. Уклон поверхности составляет 2–3 км в низменную равнину Хриса, куда направлены русла, по которым двигались потоки воды. В некоторых местах видны следы катастрофического затопления.
Большой, сильно разрушенный кратер, очевидно, старше, чем русла. Зато маленький кратер в русле образовался позднее, чем возникла структура эрозии.
Диапозитив 20. Гора Олимп.
В области Фарсиды (Тарсис) расположены четыре вулкана – горы Арсия, Павлина, Аскрийская и Олимп. Эти горы достаточно молодые – возраст их 400–700 млн. лет. Крупнейшими из них являются Арсия и Олимп. Основания их распростерты на 500–600 км. Высота Арсия – 27 км, а Олимпа – 24 км. Диаметры кратеров на их вершинах впечатляют: 100 км у Арсия и 60км у Олимпа. Гора Олимп чуть ли не в три раза выше земной горы Эверест (Джомолунгма). Крупнейший вулкан Мауна – Лоа на Гавайских островах втрое меньше и по высоте (считая высоту подводной части – 4.5 км), и по диаметру основания, а поперечник его центрального кратера всего 6.5 км.
Планеты земной группы
Внутренняя область Солнечной системы населена разнообразными телами: крупными планетами, их спутниками, а также малыми телами – астероидами и кометами. С 2006 г. в группе планет введена новая подгруппа – планеты-карлики (dwarf planet), обладающие внутренними качествами планет (сфероидальная форма, геологическая активность), но в силу малой массы не способные доминировать в окрестности своей орбиты. Теперь 8 самых массивных планет – от Меркурия до Нептуна – решено называть просто планетами (planet), хотя в разговоре астрономы для однозначности часто называют их «большими планетами», чтобы отличать от планет-карликов. Термин «малая планета», который многие годы применялся к астероидам, теперь рекомендовано не использовать во избежание путаницы с карликовыми планетами
В области больших планет мы видим четкое деление на две группы по 4 планеты в каждой: внешнюю часть этой области занимают планеты-гиганты, а внутреннюю – значительно менее массивные планеты земной группы. Группу гигантов также обычно делят пополам: газовые гиганты (Юпитер и Сатурн) и ледяные гиганты (Уран и Нептун). В группе планет земного типа тоже намечается деление пополам: Венера и Земля чрезвычайно похожи друг на друга по многим физическим параметрам, а Меркурий и Марс уступают им по массе на порядок и почти лишены атмосферы (даже у Марса она в сотни раз меньше земной, а у Меркурия практически отсутствует).
Следует отметить, что среди двух сотен спутников планет можно выделить не менее 16 тел, обладающих внутренними свойствами полноценных планет. Нередко они превосходят своими размерами и массами планеты-карлики, но при этом находятся под контролем гравитации значительно более массивных тел. Речь идет о Луне, Титане, галилеевых спутниках Юпитера и им подобных. Поэтому было бы естественно ввести в номенклатуру Солнечной системы новую группу для таких «подчиненных» объектов планетного типа, назвав их «планеты-спутники». Но пока эта идея в стадии обсуждения.
Вернемся к планетам земного типа. По сравнению с гигантами они привлекательны тем, что имеют твердую поверхность, на которую могут осуществлять посадку космические зонды. Начиная с 1970-х, автоматические станции и самоходные аппараты СССР и США неоднократно садились и успешно работали на поверхности Венеры и Марса. Посадок на Меркурий пока не было, поскольку полеты в окрестности Солнца и посадка на массивное безатмосферное тело сопряжены с большими техническими проблемами.
Изучая планеты земного типа, астрономы не забывают и саму Землю. Анализ снимков из космоса позволил многое понять в динамике земной атмосферы, в строении ее верхних слоев (куда не поднимаются самолеты и даже аэростаты), в процессах, происходящих в ее магнитосфере. Сравнивая между собой строение атмосфер землеподобных планет, многое можно понять в их истории и точнее прогнозировать их будущее. А поскольку все высшие растения и животные обитают на поверхности нашей (или не только нашей?) планеты, то особенно важны для нас характеристики нижних слоев атмосферы. Эта лекция посвящена планетам земного типа; в основном – их внешнему виду и условиям на поверхности.
Яркость планеты. Альбедо
Глядя на планету издалека, мы легко различаем тела с атмосферой и без. Присутствие атмосферы, а точнее – наличие в ней облаков, делает внешность планеты изменчивой и существенно повышает яркость ее диска. Это ясно видно, если расположить планеты в ряд от совершенно безоблачных (безатмосферных) до полностью закрытых облаками: Меркурий, Марс, Земля, Венера. Каменистые безатмосферные тела похожи друг на друга до почти полной неразличимости: сравните, например, крупномасштабные снимки Луны и Меркурия. Даже опытный глаз с трудом различает между собой поверхности этих темных тел, густо покрытых метеоритными кратерами. Зато атмосфера придает любой планете неповторимый вид.
Наличием или отсутствием атмосферы у планеты управляют три фактора: температура и гравитационный потенциал у поверхности, а также глобальное магнитное поле. Такое поле есть только у Земли, и оно существенно защищает нашу атмосферу от потоков солнечной плазмы. Луна потеряла атмосферу (если вообще ее имела) из-за низкой критической скорости у поверхности, а Меркурий – из-за высокой температуры и мощного солнечного ветра. Марс при почти той же гравитации, что у Меркурия, смог сохранить остатки атмосферы, поскольку из-за удаленности от Солнца он холоден и не так интенсивно обдувается солнечным ветром.
По своим физическим параметрам Венера и Земля почти близнецы. У них весьма схожи размер, масса, а значит, и средняя плотность. Их внутренняя структура также должна быть сходной, – кора, мантия, железное ядро, – хотя уверенности в этом пока нет, поскольку сейсмические и прочие геологические данные о недрах Венеры отсутствуют. Разумеется, и в недра Земли мы глубоко не проникали: в большинстве мест на 3—4 км, в отдельных точках на 7—9 км и лишь в одной на 12 км. Это менее 0,2% радиуса Земли. Но сейсмические, гравиметрические и другие измерения позволяют судить о земных недрах весьма детально, а для других планет таких данных почти нет. Детальные карты гравитационного поля получены только для Луны; потоки тепла из недр измерены только на Луне; сейсмометры пока работали тоже лишь на Луне и (не очень чувствительный) на Марсе.
О внутренней жизни планет геологи до сих пор судят по особенностям их твердой поверхности. Например, отсутствие признаков литосферных плит у Венеры существенно отличает ее от Земли, в эволюции поверхности которой тектонические процессы (дрейф континентов, спрединг, субдукция и т. п.) играют определяющую роль. В то же время, некоторые косвенные данные указывают на возможность тектоники плит на Марсе в прошлом, а также тектоники ледяных полей на Европе, спутнике Юпитера. Таким образом, внешнее сходство планет (Венера – Земля) не служит гарантией сходства их внутреннего строения и происходящих в их недрах процессов. А планеты не похожие друг на друга могут демонстрировать сходные геологические явления.
Вернемся к тому, что доступно астрономам и прочим специалистам для прямого изучения, а именно – к поверхности планет или их облачного слоя. В принципе, непрозрачность атмосферы в оптическом диапазоне не является непреодолимым препятствием для изучения твердой поверхности планеты. Радиолокация с Земли и с борта космических зондов позволила изучить поверхности Венеры и Титана сквозь их не прозрачные для света атмосферы. Однако эти работы носят эпизодический характер, а систематические исследования планет до сих пор проводятся оптическими приборами. И что еще более важно: оптическое излучение Солнца служит главным источником энергии для большинства планет. Поэтому способность атмосферы отражать, рассеивать и поглощать это излучение прямо влияет на климат у поверхности планеты.
Ярчайшее светило на ночном небе, не считая Луну, это Венера. Она очень яркая не только из-за относительной близости к Солнцу, но и по причине плотного облачного слоя из капель концентрированной серной кислоты, прекрасно отражающего свет. Наша Земля тоже не слишком темная, поскольку 30—40 % атмосферы Земли заполнены водяными облаками, а они тоже хорошо рассеивают и отражают свет. Вот фотография (рис. вверху), где в кадр одновременно попали Земля и Луна. Этот снимок сделал космический зонд «Галилео», пролетая мимо Земли по пути к Юпитеру. Посмотрите насколько Луна темнее Земли и вообще темнее любой планеты с атмосферой. Это общая закономерность – безатмосферные тела очень темные. Дело в том, что под воздействием космической радиации любое твердое вещество постепенно темнеет.
Утверждение, что поверхность Луны темная, обычно вызывает недоумение: на первый взгляд лунный диск выглядит очень ярким; безоблачной ночью он даже ослепляет нас. Но это лишь по контрасту с еще более темным ночным небом. Для характеристики отражающей способности любого тела используют величину под названием альбедо. Это степень белизны, то есть коэффициент отражения света. Альбедо равное нулю – абсолютная чернота, полное поглощение света. Альбедо равное единице – полное отражение. У физиков и астрономов есть несколько различных подходов к определению альбедо. Ясно, что яркость освещенной поверхности зависит не только от типа материала, но и от его структуры и ориентации относительно источника света и наблюдателя. Например, пушистый только что выпавший снег имеет одно значение коэффициент отражения, а у снега, в который вы наступили ботинком, будет совсем другое значение. А зависимость от ориентации легко продемонстрировать зеркальцем, пуская солнечных зайчиков.
Весь диапазон возможных значений альбедо перекрыт известными космическими объектами. Вот Земля, отражающая около 30% солнечных лучей, в основном, благодаря облакам. А сплошной облачный покров Венеры отражает 77% света. Наша Луна – одно из самых темных тел, в среднем отражающее около 11% света; а ее видимое полушарие из-за наличия обширных темных «морей» отражает свет еще хуже – менее 7%. Но встречаются и еще более темные объекты; например, астероид 253 Матильда с его альбедо в 4%. С другой стороны, есть удивительно светлые тела: спутник Сатурна Энцелад отражает 81% видимого света, а его геометрическое альбедо просто фантастическое – 138%, т. е. он ярче идеально белого диска такого же сечения. Даже трудно понять, как ему это удается. Чистый снег на Земле и то хуже отражает свет; какой же снег лежит на поверхности этого маленького и симпатичного Энцелада?
Тепловой баланс
Температура любого тела определяется балансом между притоком к нему тепла и его потерями. Известны три механизма обмена теплом – излучение, теплопроводность и конвекция. Два последние из них требуют прямого контакта с окружающей средой, поэтому в космическом вакууме важнейшим и, по сути, единственным становится первый механизм – излучение. Для конструкторов космической техники это создает немалые проблемы. Им приходится учитывать несколько источников тепла: Солнце, планета (особенно на низких орбитах) и внутренние агрегаты самого космического аппарата. А для сброса тепла есть лишь один способ – излучение с поверхности аппарата. Для поддержания баланса тепловых потоков конструкторы космической техники регулируют эффективное альбедо аппарата с помощью экранно-вакуумной изоляции и радиаторов. Когда такая система дает сбой, условия в космическом корабле могут стать весьма некомфортными, о чем напоминает нам история экспедиции «Аполлон-13» к Луне.
Но впервые с этой проблемой столкнулись еще в первой трети XX века создатели высотных аэростатов – так называемых стратостатов. В те годы еще не умели создавать сложные системы терморегулирования герметичной гондолы, поэтому ограничивались простым подбором альбедо ее внешней поверхности. Насколько чувствительна температура тела к его альбедо, говорит история первых полетов в стратосферу.
Гондолу своего стратостата FNRS-1 швейцарец Огюст Пикар покрасил с одной стороны в белый, а с другой – в черный цвет. Идея заключалась в том, что регулировать температуру в гондоле можно, поворачивая сферу той или иной стороной к Солнцу. Для вращения снаружи установили пропеллер. Но устройство не заработало, солнце светило с «черной» стороны и внутренняя температура в первом полете поднялась до 38 °C. В следующем полете всю капсулу просто покрыли серебрянкой для отражения солнечных лучей. Внутри стало –16 °C.
Американские конструкторы стратостата Explorer учли опыт Пикара и приняли компромиссный вариант: они покрасили верхнюю часть капсулы в белый, а нижнюю – в черный цвет. Идея состояла в том, что верхняя половина сферы будет отражать солнечное излучение, а нижняя – поглощать тепло от Земли. Этот вариант оказался неплохим, но тоже не идеальным: во время полетов в капсуле было 5 °C.
Советские стратонавты просто теплоизолировали алюминиевые капсулы слоем войлока. Как показала практика, такое решение было самым удачным. Внутреннего тепла, в основном выделяемого экипажем, оказалось достаточно для поддержания стабильной температуры.
Но если планета не имеет собственных мощных источников тепла, то значение альбедо очень важно для ее климата. Например, наша планета поглощает 70% падающего на нее солнечного света, перерабатывая его в собственное инфракрасное излучение, поддерживая за счет него круговорот воды в природе, запасая его в результате фотосинтеза в биомассе, нефти, угле, газе. Луна поглощает почти весь солнечный свет, бездарно превращая его в высокоэнтропийное инфракрасное излучение и за счет этого поддерживая свою довольно высокую температуру. Зато Энцелад своей идеально белой поверхностью гордо отталкивает от себя почти весь солнечный свет, за что и расплачивается чудовищно низкой температурой поверхности: в среднем около –200 °C, а местами до –240 °C. Впрочем, этот спутник – «весь в белом» – не сильно страдает от наружного холода, поскольку у него есть альтернативный источник энергии – приливное гравитационное влияние соседа-Сатурна (Приливы и отливы…), поддерживающее его подледный океан в жидком состоянии. Но у планет земного группы внутренние источники тепла очень слабы, поэтому температура их твердой поверхности в значительной степени зависит от свойств атмосферы – от ее способности, с одной стороны, отражать часть солнечных лучей обратно в космос, а с другой – удерживать энергию излучения, прошедшего сквозь атмосферу к поверхности планеты.
Парниковый эффект и климат планеты
В зависимости от того, как далеко от Солнца находится планета, и какую долю солнечного света она поглощает, формируются температурные условия на поверхности планеты, ее климат. Как выглядит спектр любого самосветящегося тела, например, звезды? В большинстве случаев спектр звезды – это «одногорбая», почти планковская, кривая, у которой положение максимума зависит от температуры поверхности звезды. В отличие от звезды, у спектра планеты два «горба»: часть звездного света она отражает в оптическом диапазоне, а другую часть поглощает и переизлучает в инфракрасном диапазоне. Относительная площадь под этими двумя горбами как раз и определяется степенью отражения света, то есть альбедо.
Посмотрим на две ближайших к нам планеты – Меркурий и Венеру. На первый взгляд, ситуация парадоксальная. Венера отражает почти 80% солнечного света и лишь около 20% поглощает. А Меркурий почти ничего не отражает, а всё поглощает. К тому же, Венера дальше от Солнца, чем Меркурий; на единицу ее облачной поверхности падает в 3,4 раза меньше солнечного света. С учетом разницы в альбедо каждый квадратный метр твердой поверхности Меркурия получает почти в 16 раз больше солнечного тепла, чем та же поверхность на Венере. И, тем не менее, на всей твердой поверхности Венеры адские условия – огромная температура (олово и свинец плавятся!), а Меркурий прохладнее! На полюсах там вообще Антарктида, а на экваторе средняя температура 67 °C. Конечно, днем поверхность Меркурия нагревается до 430 °C, а ночью остывает до –170 °C. Но уже на глубине 1,5—2 метров суточные колебания сглаживаются, и мы можем говорить о средней температуре поверхности 67 °C. Жарковато, конечно, но жить можно. А в средних широтах Меркурия вообще комнатная температура.
В чем же дело? Почему близкий к Солнцу и охотно поглощающий его лучи Меркурий нагрет до комнатной температуры, а Венера – более далекая от Солнца и активно отражающая его лучи, нагрета как печь? Как объяснит это физика?
Атмосфера Земли почти прозрачна: она пропускает 80% приходящего солнечного света. Убежать в космос в результате конвекции воздух не может – планета не отпускает его. Значит, охлаждаться она может только в виде инфракрасного излучения. А если ИК излучение остается запертым, то оно нагревает те слои атмосферы, которые его не выпускают. Эти слои сами становятся источником тепла и частично направляют его обратно к поверхности. Некоторая часть излучения уходит в космос, но основная его часть возвращается к поверхности Земли и греет ее до тех пор, пока не установится термодинамическое равновесие. А как оно устанавливается?
Температура растет, и максимум в спектре смещается (закон Вина) до тех пор, пока не найдет в атмосфере «окно прозрачности», сквозь которое уйдут в космос ИК-лучи. Баланс тепловых потоков устанавливается, но при более высокой температуре, чем могло бы быть при отсутствии атмосферы. Это и есть парниковый эффект.
В своей жизни мы довольно часто сталкиваемся с парниковым эффектом. И не только в виде садового парника или поставленной на плиту кастрюли, которую мы накрываем крышкой, чтобы уменьшить теплоотдачу и ускорить закипание. Как раз эти примеры не демонстрируют чистый парниковый эффект, поскольку в них уменьшается как лучистый, так и конвективный отвод тепла. Гораздо ближе к описанному эффекту пример ясной морозной ночи. При сухом воздухе и безоблачном небе (например, в пустыне) после захода солнца земля быстро остывает, а влажный воздух и облака сглаживают суточные колебания температуры. К сожалению, этот эффект хорошо знаком астрономам: ясные звездные ночи бывают особенно холодными, что делает работу у телескопа весьма некомфортной. Вернувшись к рисунку выше, мы увидим причину: именно пары воды в атмосфере служат главным препятствием для уносящего тепло ИК-излучения.
У Луны нет атмосферы, а значит, нет и парникового эффекта. На ее поверхности термодинамическое равновесие устанавливается в явном виде, никакого обмена излучением между атмосферой и твердой поверхностью нет. У Марса разреженная атмосфера, но все-таки ее парниковый эффект добавляет свои 8 °C. А Земле он добавляет почти 40 °C. Если бы у нашей планеты не было такой плотной атмосферы, температура Земли была бы на 40 °C ниже. Сегодня она составляет по всему земному шару в среднем 15 °C, а было бы –25 °C. Все бы океаны замерзли, поверхность Земли от снега стала бы белой, альбедо бы повысилось, и температура упала бы еще ниже. В общем – страшное дело! Но хорошо, что парниковый эффект в нашей атмосфере работает и греет нас. И еще гораздо сильнее он работает на Венере – более чем на 500 градусов поднимает среднюю венерианскую температуру.
Поверхность планет
До сих пор мы не приступали к детальному изучению иных планет, в основном ограничиваясь наблюдением их поверхности. А насколько важна для науки информация о внешнем виде планеты? Что ценного может поведать нам изображение ее поверхности? Если это газовая планета, как Сатурн или Юпитер, или же твердая, но покрытая плотным слоем облаков, как Венера, то мы видим лишь верхний облачный слой, следовательно, почти никакой информации о самой планете не имеем. Облачная атмосфера, как говорят геологи, это супермолодая поверхность – сегодня она такая, а завтра будет иная, или не завтра, а через 1000 лет, что лишь миг в жизни планеты.
Большое Красное Пятно на Юпитере или два планетарных циклона на Венере наблюдаются уже 300 лет, но говорят нам лишь о некоторых общих свойствах современной динамики их атмосфер. Наши потомки, глядя на эти планеты, будут видеть совсем иную картину, а какую картину могли видеть наши предки, мы никогда не узнаем. Таким образом, глядя со стороны на планеты с плотной атмосферой, мы не можем судить об их прошлом, поскольку видим лишь изменчивый облачный слой. Совсем другое дело – Луна или Меркурий, поверхности которых хранят следы метеоритных бомбардировок и геологических процессов, происходивших в течение последних миллиардов лет.
А подобные бомбардировки планет-гигантов практически не оставляют следов. Одно из таких событий произошло в конце ХХ века прямо на глазах астрономов. Речь идет о комете Шумейкеров-Леви-9. В 1993 г. недалеко от Юпитера была замечена странная цепочка из двух десятков небольших комет. Расчет показал, что это фрагменты одной кометы, пролетавшей рядом с Юпитером в 1992 г. и разорванной на части приливным эффектом его мощного гравитационного поля. Сам эпизод распада кометы астрономы не видели, а застали лишь тот момент, когда цепочка кометных осколков «паровозиком» удалялась от Юпитера. Если бы не произошло распада, то комета, подлетев к Юпитеру по гиперболической траектории, по второй ветви гиперболы ушла бы вдаль и, скорее всего, больше никогда не сблизилась бы с Юпитером. Но тело кометы не выдержало приливного напряжения и разрушилось, а затрата энергии на деформацию и разрыв тела кометы уменьшила кинетическую энергию ее орбитального движения, переведя осколки с гиперболической орбиты на эллиптическую, замкнутую вокруг Юпитера. Расстояние орбиты в перицентре оказалось меньше радиуса Юпитера, и осколки в 1994 г. врезались в планету один за другим.
Иное дело – Земля. На нашей планете метеоритные шрамы остаются надолго. Перед вами самый популярный метеоритный кратер диаметром около 1 км и возрастом около 50 тыс. лет. Он все еще хорошо виден. Но кратеры, образовавшиеся более 200 млн лет назад, можно найти лишь с помощью тонких геологических методов. Сверху их не видно.
Кстати, есть довольно надежное соотношение между размером упавшего на Землю крупного метеорита и диаметром образованного им кратера – 1:20. Кратер километрового диаметра в Аризоне образовался от удара маленького астероида диаметром около 50 м. А в далекие времена по Земле ударяли и более крупные «снаряды» – и километровые и даже десятикилометровые. Мы знаем сегодня около 200 крупных кратеров; их называют астроблемами (небесными ранами); и каждый год обнаруживают несколько новых. Крупнейший диаметром 300 км найден на юге Африки, его возраст около 2 млрд лет. На территории России крупнейший кратер Попигай в Якутии диаметром 100 км. Наверняка есть и более крупные, например, на дне океанов, где их труднее заметить. Правда, океанское дно в геологическом смысле моложе материков, Но, кажется, в Антарктике есть кратер диаметром 500 км. Он под водой и на его присутствие указывает лишь профиль дна.
На поверхности Луны, где нет ни ветра, ни дождя, где отсутствуют тектонические процессы, метеоритные кратеры сохраняются миллиарды лет. Глядя на Луну в телескоп, мы читаем историю космической бомбардировки. На обратной стороне еще более полезная для науки картина. Похоже, что туда по какой-то причине никогда не падало особенно крупных тел, либо, падая, они не могли пробить лунную кору, которая на обратной стороне вдвое толще, чем на видимой. Поэтому вытекавшая лава не заполняла крупные кратеры и не скрывала исторические детали. На любом клочке лунной поверхности есть метеоритный кратер, – большой или маленький, – и их так много, что более молодые разрушают те, что образовались раньше. Произошло насыщение: Луна не может уже стать более кратенированней, чем она есть. Везде кратеры. И это замечательная летопись истории Солнечной системы. По ней выделено несколько эпизодов активного кратерообразования, в том числе – эпоха тяжелой метеоритной бомбардировки (4,1—3,8 млрд лет назад), оставившая следы на поверхности всех планет земного типа и многих спутников. Почему потоки метеоритов обрушивались на планеты в ту эпоху, нам еще предстоит понять. Нужны новые данные о строении лунных недр и составе вещества на разной глубине, а не только на поверхности, с которой до сих пор были собраны образцы.
Меркурий внешне похож на Луну, поскольку, как и она, лишен атмосферы. Его каменистая поверхность, не подверженная газовой и водной эрозии, длительное время сохраняет следы метеоритной бомбардировки. Среди планет земного типа Меркурий хранит самые старые геологические следы возрастом около 4 млрд лет. Но на поверхности Меркурия нет крупных морей, заполненных темной застывшей лавой и похожих на лунные моря, хотя крупных ударных кратеров там не меньше, чем на Луне.
Размером Меркурий примерно в полтора раза больше Луны, но своей массой он превосходит Луну в 4,5 раза. Дело в том, что Луна почти целиком каменистое тело, тогда как у Меркурия огромное металлическое ядро, по-видимому, состоящее в основном из железа и никеля. Радиус его металлического ядра составляет около 75% радиуса планеты (а у Земли лишь 55%). Объем металлического ядра Меркурия составляет 45% объема планеты (а у Земли лишь 17%). Поэтому средняя плотность Меркурия (5,4 г/см 3 ) почти равна средней плотности Земли (5,5 г/см 3 ) и существенно превосходит среднюю плотность Луны (3,3 г/см 3 ). Имея большое металлическое ядро, Меркурий мог бы своей средней плотностью превосходить Землю, если бы не малая сила тяжести на его поверхности. Имея массу всего 5,5% земной, он обладает почти втрое меньшей силой тяжести, которая не в состоянии так уплотнить его недра, как уплотнились недра Земли, у которой даже силикатная мантия имеет плотность около (5 г/см 3 ).
Меркурий трудно исследовать, поскольку он движется близко к Солнцу. Чтобы запустить к нему межпланетный аппарат с Земли, его нужно сильно затормозить, т. е. разогнать в направлении противоположном орбитальному движению Земли; только тогда он начнет «падать» в сторону Солнца. Сделать это сразу с помощью ракеты невозможно. Поэтому в двух до сих пор осуществленных полетах к Меркурию были использованы гравитационные маневры в поле Земли, Венеры и самого Меркурия, для торможения космического зонда и перевода его на орбиту Меркурия.
Впервые к Меркурию отправился в 1973 г. «Маринер-10» (NASA). Он сначала сблизился с Венерой, притормозил в ее гравитационном поле и затем трижды прошел вблизи Меркурия в 1974—75 гг. Поскольку все три встречи происходили в одной и той же области орбиты планеты, а ее суточное вращение синхронизовано с орбитальным, все три раза зонд фотографировал одно и то же полушарие Меркурия, освещенное Солнцем.
В течение следующих нескольких десятилетий полетов к Меркурию не было. И только в 2004 г. удалось запустить второй аппарат – MESSENGER (Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry, and Ranging; NASA). Осуществив несколько гравитационных маневров вблизи Земли, Венеры (дважды) и Меркурия (трижды), зонд в 2011 г. вышел на орбиту вокруг Меркурия и 4 года вел исследования планеты.
Работа вблизи Меркурия осложняется тем, что планета в среднем в 2,6 раза ближе к Солнцу, чем Земля, поэтому поток солнечных лучей там почти в 7 раз больше. Без специального «солнечного зонтика» электронная начинка зонда перегрелась бы. Сейчас готовится третья экспедиция к Меркурию под названием BepiColombo, в ней участвуют европейцы и японцы. Запуск намечен на осень 2018 г. Полетят сразу два зонда, которые выйдут на орбиту вокруг Меркурия в конце 2025 г. после пролета вблизи Земли, двух вблизи Венеры и шести вблизи Меркурия. Кроме детального исследования поверхности планеты и ее гравитационного поля, намечено детальное изучение магнитосферы и магнитного поля Меркурия, представляющего для ученых загадку. Хотя Меркурий вращается очень медленно, а его металлическое ядро должно было давно остыть и затвердеть, планета имеет дипольное магнитное поле, уступающее земному по напряженности в 100 раз, но все же поддерживающее вокруг планеты магнитосферу. Современная теория генерации магнитного поля у небесных тел, – так называемая теория турбулентного динамо, – требует наличия в недрах планеты слоя жидкого проводника электричества (у Земли это внешняя часть железного ядра) и сравнительно быстрого вращения. По какой причине ядро Меркурия до сих пор остается жидким, пока не ясно.
У Меркурия есть удивительная особенность, которой нет больше ни у одной планеты. Движение Меркурия по орбите вокруг Солнца и его вращение вокруг своей оси четко синхронизованы друг с другом: за время двух орбитальных периодов он совершает три оборота вокруг оси. Вообще говоря, с синхронным движением астрономы были знакомы давно: наша Луна синхронно вращается вокруг оси и обращается вокруг Земли, периоды этих двух движений одинаковы, т. е. они находятся в соотношении 1:1. И у других планет некоторые спутники демонстрируют ту же особенность. Это результат действия приливного эффекта.
Чтобы проследить за движением Меркурия (рис. выше), поставим на его поверхности стрелочку. Видно, что за один оборот вокруг Солнца, т. е. за один меркурианский год, планета повернулась вокруг оси ровно полтора раза. За это время день в районе стрелки сменился ночью, прошла половина солнечных суток. Еще один годичный оборот – и в районе стрелки вновь наступает день, истекли одни солнечные сутки. Таким образом, на Меркурии солнечные сутки длятся два меркурианских года.
Мы подробно будем говорить о приливах в гл. 6. Именно в результате приливного влияния со стороны Земли Луна синхронизовала два своих движения – осевое вращение и орбитальное обращение. Земля очень сильно влияет на Луну: вытянула ее фигуру, стабилизировала вращение. Орбита Луны близка к круговой, поэтому Луна движется по ней с почти постоянной скоростью на почти постоянном расстоянии от Земли (степень этого «почти» мы обсуждали в гл. 1). Поэтому приливный эффект меняется слабо и контролирует вращение Луны вдоль всей орбиты, приводя к резонансу 1:1.
Поверхность Меркурия почти неотличима от лунной. Даже профессиональные астрономы, когда появились первые детальные снимки Меркурия, друг другу показывали их и спрашивали: «А ну-ка угадай, Луна это или Меркурий?». Угадать, действительно, трудно. И там, и там избитая метеоритами поверхность. Но особенности, конечно, есть. Хотя крупные лавовые моря на Меркурии отсутствуют, его поверхность не однородна: есть области более старые и более молодые (основанием для этого служит подсчет метеоритных кратеров). От Луны Меркурий отличается и наличием характерных уступов и складок на поверхности, возникших в результате сжатия планеты при остывании ее огромного металлического ядра.
Перепады температуры на поверхности Меркурия больше, чем на Луне. В дневные часы на экваторе 430 °C, а ночью –173 °C. Но грунт Меркурия служит хорошим теплоизолятором, поэтому на глубине около 1 м суточные (или двухгодичные?) перепады температуры уже не чувствуются. Так что, если вы прилетите на Меркурий, то первое, что нужно сделать – вырыть землянку. В ней на экваторе будет около 70 °C; жарковато. Но в районе географических полюсов в землянке будет около –70 °C. Так что без труда можно найти ту географическую широту, на которой в землянке вам будет комфортно.
Самые низкие температуры наблюдаются на дне полярных кратеров, куда никогда не попадаю солнечные лучи. Именно там обнаружились залежи водяного льда, которые прежде были нащупаны радиолокаторами с Земли, а затем подтверждены приборами космического зонда MESSENGER. Происхождение этого льда пока обсуждается. Его источниками могут быть как кометы, так и выходящие из недр планеты пары воды.
На Меркурии есть один из самых больших ударных кратеров в Солнечной системе – Равнина Жары (Caloris Basin) диаметром 1550 км. Это след от удара астероида диаметром не менее 100 км, чуть не расколовшего маленькую планету. Случилось это около 3,8 млрд лет назад, в период так называемой «поздней тяжелой бомбардировки» (Late Heavy Bombardment), когда по не до конца понятным причинам увеличилось число астероидов и комет на орбитах, пересекающих орбиты планет земной группы.
Когда в 1974 г. «Маринер-10» сфотографировал Равнину Жары, мы еще не знали, что получилось на противоположной стороне Меркурия после этого страшного удара. Ясно, что если по шару стукнули, то возбуждаются звуковые и поверхностные волны, которые распространяются симметрично, проходят через «экватор» и собираются в антиподной точке, диаметрально противоположной точке удара. Возмущение там стягивается в точку, и амплитуда сейсмических колебаний стремительно возрастает. Это похоже на то, как погонщики скота щелкают своим кнутом: энергия и импульс волны практически сохраняются, а толщина кнута стремится к нулю, поэтому скорость колебания увеличивается и становится сверхзвуковой. Ожидалось, что в области Меркурия, противоположной бассейну Caloris будет картина невероятного разрушения. В общем, почти так и оказалось: там обнаружилась обширная холмистая область с рифленой поверхностью, хотя я ожидал, что там будет кратер-антипод. Мне представлялось, что при схлопывании сейсмической волны произойдет явление «зеркальное» падению астероида. Мы наблюдаем это при падении капли на спокойную поверхность воды: сначала она создает маленькое углубление, а затем вода устремляется обратно и выкидывает небольшую новую каплю вверх. На Меркурии этого не случилось, и мы теперь понимает почему. Его недра оказались неоднородны и точной фокусировки волн не произошло.
В целом рельеф Меркурия более гладкий, чем у Луны. Например, стенки меркурианских кратеров не такие высокие. Вероятной причиной этого служит большая сила тяжести и более теплые и мягкие недра Меркурия.
Венера – вторая планета от Солнца и самая загадочная из планет земной группы. Не ясно, каково происхождение ее очень плотной атмосферы, почти целиком состоящей из углекислого газа (96,5 %) и азота (3,5 %) и вызывающей мощный парниковый эффект. Не понятно, почему Венера так медленно вращается вокруг оси – в 244 раза медленнее Земли, и к тому же – в противоположном направлении. При этом массивная атмосфера Венеры, а точнее – ее облачный слой, за четверо земных суток облетает вокруг планеты. Это явление называют суперротацией атмосферы. При этом атмосфера трется о поверхность планеты и должна была бы давно притормозиться. Ведь не может она долго двигаться вокруг планеты, твердое тело которой практически стоит на месте. Но атмосфера вращается, да еще и в направлении противоположном вращению самой планеты. Понятно, что от трения о поверхность энергия атмосферы рассеивается, а ее момент импульса передается телу планеты. Значит, есть приток энергии (очевидно – солнечной), за счет которой работает тепловая машина. Вопрос: как реализована эта машина? Как энергия Солнца трансформируется в движение венерианской атмосферы?
Из-за медленного вращения Венеры кориолисовы силы на ней слабее, чем на Земле, поэтому атмосферные циклоны там менее компактны. По сути, их всего два: один в северном полушарии, другой в южном. Каждый из них «наматывается» от экватора на свой полюс.
Верхние слои венерианской атмосферы детально исследовали пролетные (осуществляя гравитационный маневр) и орбитальные зонды – американские, советские, европейский и японский. Аппараты серии «Венера» в течение нескольких десятилетий запускали туда советские инженеры, и это был самый успешный наш прорыв в области исследования планет. Главной задачей было посадить на поверхность спускаемый аппарат, чтобы посмотреть, что там под облаками.
Конструкторы первых зондов, как и авторы научно-фантастических произведений тех лет, ориентировались на результаты оптических и радиоастрономических наблюдений, из которых следовало, что Венера – это более теплый аналог нашей планеты. Именно поэтому в середине XX века все фантасты, – от Беляева, Казанцева и Стругацких до Лема, Брэдбери и Хайнлайна, – представляли Венеру как негостеприимный (жаркий, болотистый, с ядовитой атмосферой), но в целом подобный Земле мир. По этой же причине первые посадочные аппараты венерианских зондов делали не очень прочными, не способными сопротивляться большому давлению. И они гибли, спускаясь в атмосфере, один за другим. Затем их корпуса стали делать покрепче, рассчитанные на давление в 20 атмосфер. Но и этого оказалось мало. Тогда конструкторы, «закусив удила», сделали титановый зонд, выдерживающий давление в 180 атм. И он благополучно сел на поверхность («Венера-7», 1970 г.). Заметим, что далеко не каждая подводная лодка выдерживает такое давление, царящее на глубине около 2 км в океане. Выяснилось, что у поверхности Венеры давление не опускается ниже 92 атм (9,3 МПа, 93 бар), а температура составляет 464 °C.
С мечтой о гостеприимной Венере, похожей на Землю каменноугольного периода, было окончательно покончено именно в 1970 г. Впервые аппарат, рассчитанный на такие адские условия («Венера-8»), успешно опустился и работал на поверхности в 1972 г. С этого момента посадки на поверхность Венеры стали рутинной операцией, однако долго поработать там не удается: через 1—2 часа внутренность аппарата нагревается, и электроника выходит из строя.
Учитывая высокое альбедо Венеры и колоссальную плотность ее атмосферы, ученые сомневались, что у поверхности будет достаточно солнечного света для фотографирования. К тому же, у дна газового океана Венеры вполне мог висеть плотный туман, рассеивающий солнечный свет и не позволяющий получить контрастное изображение. Поэтому на первых посадочных аппаратах ставили галогенные ртутные лампы для освещения почвы и создания светового контраста. Но оказалось, что естественного света там вполне достаточно: на Венере светло, как в пасмурный день на Земле. И контраст при естественном освещении тоже вполне приемлемый.
На фотографиях с мест посадки видны лишь небольшие участки венерианской поверхности. А можно ли всю Венеру увидеть сквозь облака? Можно! Радиолокатор видит сквозь облака. К Венере летало два советских спутника с радиолокаторами бокового обзора и один американский. По их наблюдениям составлены радиокарты Венеры с весьма высоким разрешением. На общей карте его трудно продемонстрировать, но на отдельных фрагментах карты оно ясно видно. Цветом на радиокартах показаны уровни: голубой и синий – это низменности; будь на Венере вода, это были бы океаны. Но жидкая вода на Венере существовать не может. Да и газообразной воды там тоже практически нет. Зеленоватые и желтоватые – это континенты, назовем их так. Красное и белое – самые высокие точки на Венере. Это «венерианский Тибет» – самое высокое плато. Высочайшая вершина на нем – гора Максвелл – возвышается на 11 км.
О недрах Венеры, об ее внутреннем строении надежных фактов нет, поскольку сейсмические исследования до сих пор там не проводились. К тому же, медленное вращение планеты не позволяет измерить ее момент инерции, который мог бы рассказать о распределении плотности с глубиной. Пока теоретические представления базируются на сходстве Венеры с Землей, а видимое отсутствие тектоники плит на Венере объясняется отсутствием на ней воды, которая на Земле служит «смазкой», позволяя плитам скользить и подныривать друг под друга. Вкупе с высокой температурой поверхности, это приводит к замедлению или даже полному отсутствию конвекции в теле Венеры, снижает скорость охлаждения ее недр и может объяснить отсутствие у нее магнитного поля. Все это выглядит логично, но требует экспериментальной проверки.
Кстати, о Земле. Подробно обсуждать третью от Солнца планету не буду, поскольку я не геолог. К тому же, каждый из нас имеет общее представление о Земле даже на основе школьных знаний. Но в связи с изучением других планет замечу, что и недра своей планеты нам тоже не до конца понятны. Почти каждый год происходят крупные открытия в геологии, порой обнаруживают даже новые слои в недрах Земли. Мы даже не точно знаем температуру в ядре своей планеты. Посмотрите свежие обзоры: некоторые авторы считают, что температура на границе внутреннего ядра около 5000 K, а другие – что более 6300 K. Это результаты теоретических расчетов, в которых фигурируют не вполне надежные параметры, описывающие свойства вещества при температуре в тысячи кельвинов и давлении в миллионы бар. Пока эти свойства не будут надежно изучены в лаборатории, точных знаний о недрах Земли мы не получим.
Уникальность Земли среди подобных ей планет состоит в наличии магнитного поля и жидкой воды на поверхности, причем второе, по-видимому, является следствием первого: магнитосфера Земли защищает от потоков солнечного ветра нашу атмосферу и, опосредованно, гидросферу. Для генерации магнитного поля, как сейчас представляется, в недрах планеты должен быть жидкий электропроводящий слой, охваченный конвективным движением, и быстрое суточное вращение, обеспечивающее кориолисову силу. Только при этих условиях включается динамо-механизм, усиливающий магнитное поле. Венера практически не вращается, поэтому у нее нет магнитного поля. Железное ядро у маленького Марса давно остыло и отвердело, поэтому он также лишен магнитного поля. Меркурий, казалось бы, очень медленно вращается и должен был остыть раньше Марса, но вполне ощутимое дипольное магнитное поле с напряженностью раз в 100 слабее земного у него есть. Парадокс! За поддержание железного ядра Меркурия в расплавленном состоянии сейчас считается ответственным приливное влияние Солнца. Пройдут миллиарды лет, остынет и затвердеет железное ядро Земли, лишив нашу планету магнитной защиты от солнечного ветра. И единственной твердой планетой с магнитным полем останется, – как это ни странно, – Меркурий.
А теперь обратимся к Марсу. Его внешний вид сразу же привлекает нас по двум причинам: даже на фотографиях, полученных издалека, видны белые полярные шапки и полупрозрачная атмосфера. Это родним Марс с Землей: полярные шапки рождают мысль о наличии воды, а атмосфера – о возможности дыхания. И хотя на Марсе с водой и воздухом не всё так благополучно, как кажется на первый взгляд, эта планета давно привлекает исследователей.
Раньше астрономы изучали Марс в телескоп и поэтому с нетерпением ожидали моментов, называемых «противостояниями Марса». Что же чему в эти моменты противостоит?
С точки зрения земного наблюдателя, в момент противостояния Марс оказывается по одну сторону от Земли, а Солнце – по другую. Понятно, что именно в эти моменты Земля и Марс сближаются на минимальное расстояние, Марс виден на небе всю ночь и хорошо освещен Солнцем. Земля делает свой оборот вокруг Солнца за год, а Марс – за 1,88 года, поэтому средний промежуток времени между противостояниями занимает немногим более двух лет. Последнее противостояние Марса было в 2016 г, правда, оно было не особенно близким. Орбита у Марса заметно эллиптическая, поэтому максимальные сближения с ним Земли случаются, когда Марс находится в районе перигелия своей орбиты. На Земле (в нашу эпоху) это конец августа. Поэтому августовские и сентябрьские противостояния называют «великими»; в эти моменты, наступающие раз в 15—17 лет, наши планеты сближаются менее чем на 60 млн км. Такое будет в 2018 году. А супертесное противостояние состоялось в 2003 г.: тогда до Марса было всего 55,8 млн км. В связи с этим родился новый термин – «величайшие противостояния Марса»: такими теперь считают сближения менее чем на 56 млн км. Они происходят 1-2 раза в столетие, однако в нынешнем веке их будет даже три – ждите 2050 и 2082 гг.
Но даже в моменты великих противостояний в телескоп с Земли мало что видно на Марсе. Вот рисунок астронома, который смотрит на Марс в телескоп. Неподготовленный человек посмотрит и разочаруется – вообще ничего не увидит, лишь маленькую розовую «капельку». Но в тот же самый телескоп опытный глаз астронома видит больше. Полярную шапку астрономы давно заметили, еще столетия назад. А также – темные и светлые области. Темные по традиции назвали морями, а светлые – континентами.
Повышенный интерес к Марсу возник в эпоху великого противостояния 1877 года: – к тому времени уже были построены хорошие телескопы, и астрономы сделали несколько важных открытий. Американский астроном Асаф Холл обнаружил спутники Марса – Фобос и Деймос. А итальянский астроном Джованни Скиапарелли зарисовал загадочные линии на поверхности планеты – марсианские каналы. Конечно, Скиапарелли не был первый, увидевший каналы: некоторые из них замечали и до него (например – Анджело Секки). Но после Скиапарелли эта тема на многие годы стала доминирующей в изучении Марса.
Наблюдения деталей поверхности Марса, таких, как «каналы» и «моря», положили начало новому этапу в изучении этой планеты. Скиапарелли считал, что «моря» Марса действительно могут быть водоемами. Поскольку соединяющим их линиям нужно было дать название, Скиапарелли назвал их «каналами» (canali), подразумевая под этим морские проливы, а отнюдь не рукотворные сооружения. Он полагал, что по этим каналам в приполярных областях в период таяния полярных шапок действительно течет вода. После открытия на Марсе «каналов» некоторые ученые высказали предположение об их искусственной природе, что послужило основанием для гипотез о существовании на Марсе разумных существ. Но сам Скиапарелли не считал эту гипотезу научно обоснованной, хотя и не исключал наличия на Марсе жизни, возможно даже разумной.
Однако мысль об искусственной системе оросительных каналов на Марсе стала укрепляться в других странах. Отчасти этому способствовало то, что итальянское canali было представлено на английском как canal (рукотворная водная магистраль), а не как channel (природный морской пролив). Да и на русском слово «канал» подразумевает искусственное сооружение. Идея о марсианах увлекла тогда многих, и не только писателей (вспомним Герберта Уэллса с его «Войной миров», 1897 г.), но и исследователей. Самым известным из них стал Персиваль Ловелл. Этот американец получил прекрасное образование в Гарварде, в равной степени овладев математикой, астрономией и гуманитарными предметами. Но как отпрыск родовитого семейства, он скорее стал бы дипломатом, писателем или путешественником, чем астрономом. Однако прочитав работы Скиапарелли о каналах, он увлекся Марсом и поверил в существование жизни и цивилизации на нем. В общем, он забросил все прочие дела и занялся изучением Красной планеты.
На деньги своего богатого семейства Ловелл построил обсерваторию и начал рисовать каналы. Заметим, что фотография тогда была в зачаточном состоянии, а глаз опытного наблюдателя способен заметить мельчайшие детали в условиях атмосферной турбулентности, искажающей изображения далеких объектов. Карты марсианских каналов, созданные в Ловелловской обсерватории, были самыми детальными. К тому же, будучи хорошим литератором, Ловелл написал несколько занимательнейших книг – Mars and its canals (1906), Mars as the abode of life (1908) и др. Только одна из них была переведена на русский еще до революции: «Марс и жизнь на нем» (Одесса: Матезис, 1912). Эти книги увлекли целое поколение надеждой встретить марсиан.
Следует признать, что история с марсианскими каналами так и не получила исчерпывающего объяснения. Есть старые рисунки с каналами и современные фотографии – без них. Где каналы? Что это было? Заговор астрономов? Массовое помешательство? Самовнушение? Трудно упрекнуть в этом ученых, отдавших жизнь науке. Возможно, разгадка этой истории ждет нас впереди.
А сегодня мы изучаем Марс, как правило, не в телескоп, а при помощи межпланетных зондов. (Хотя и телескопы до сих пор используются для этого и порой приносят важные результаты.) Полет зондов к Марсу осуществляется по самой энергетически выгодной полуэллиптической траектории. С помощью Третьего закона Кеплера легко вычислить длительность такого перелета. Из-за большого эксцентриситета марсианской орбиты время перелета зависит от сезона запуска. В среднем полет с Земли на Марс длится 8—9 месяцев.
Можно ли пилотируемую экспедицию отправить на Марс? Это большая и интересная тема. Казалось бы, для этого нужна лишь мощная ракета-носитель и удобный космический корабль. Достаточно мощных носителей пока ни у кого нет, но над ними работают американские, российские и китайские инженеры. Можно не сомневаться, что такая ракета в ближайшие годы будет создана государственными предприятиями (например, наша новая ракета «Ангара» в своем самом мощном варианте) или частными компаниями (Илон Маск – почему бы и нет).
А существует ли корабль, в котором космонавты проведут многие месяцы по пути к Марсу? Пока такого нет. Все существующие (Союз, Шэньчжоу) и даже проходящие испытания (Dragon V2, CST-100, Orion) – очень тесные и пригодны лишь для полета на Луну, куда всего 3 дня пути. Правда, есть идея после взлета надувать дополнительные помещения. Осенью 2016 г. надувной модуль был испытан на МКС и неплохо себя показал. Таким образом, техническая возможность перелета на Марс скоро появится. Так в чем же проблема? В человеке!
Мы постоянно подвергаемся облучению естественной радиоактивности земных пород, потоками космических частиц или искусственно созданной радиоактивностью. У поверхности Земли фон слаб: нас защищают магнитосфера и атмосфера планеты, а также ее тело, прикрывая нижнюю полусферу. На низкой околоземной орбите, где работают космонавты МКС, атмосфера уже не помогает, поэтому радиационный фон возрастает в сотни раз. В открытом космосе он еще в несколько раз выше. Это существенно ограничивает длительность безопасного пребывания человека в космосе. Отметим, что работникам атомной промышленности запрещается в год получать больше 5 бэр – это почти безопасно для здоровья. Космонавтам в год разрешают получать до 10 бэр (приемлемый уровень опасности), что и ограничивает длительность их работы на МКС одним годом. А полет на Марс с возвращением на Землю в лучшем случае (если не случится мощных вспышек на Солнце) приведет к дозе в 80 бэр, что создаст большую вероятность онкологического заболевания. Именно это и есть главное препятствие для полета человека на Марс. Можно ли защитить астронавтов от радиации? Теоретически – можно.
Нас на Земле защищает атмосфера, толщина которой по количеству вещества на квадратный сантиметр эквивалентна 10-метровому слою воды. Легкие атомы лучше рассеивают энергию космических частиц, поэтому защитный слой космического корабля может иметь толщину 5 метров. Но даже в тесном корабле масса этой защиты будет измеряться сотнями тонн. Отправить такой корабль к Марсу не под силу современной и даже перспективной ракете.
Ну, хорошо. Допустим, нашлись добровольцы, готовые рискнуть своим здоровьем и отправиться на Марс в одну сторону без радиационной защиты. Смогут ли они после посадки там работать? Можно ли рассчитывать, что они выполнят задание? Вспомните, как космонавты, проведя полгода на МКС, чувствуют себя сразу после посадки на землю? Их выносят на руках, кладут на носилки и две-три недели они реабилитируются, восстанавливая крепость костей и силу мышц. А на Марсе их никто не вынесет на руках. Там нужно будет самостоятельно выходить и работать в тяжелых пустотных скафандрах, как на Луне. Ведь давление атмосферы на Марсе практически нулевое. Скафандр очень тяжелый. На Луне в нем было двигаться относительно легко, поскольку сила тяжести там 1/6 земной, а за три дня полета к Луне мышцы не успевают ослабнуть. На Марс же космонавты прибудут, проведя многие месяцы в условиях невесомости и радиации, а сила тяжести на Марсе в два с половиной раза больше лунной. К тому же и на самой поверхности Марса радиация почти такая же, как в открытом космосе: магнитного поля у Марса нет, и атмосфера у него слишком разреженная, чтобы служить защитой. Так что кинофильм «Марсианин» – это фантастика, очень красивая, но нереальная.
Как мы себе раньше представляли марсианскую базу? Прилетели, поставили на поверхности лабораторные модули, живем в них и работаем. А теперь вот как: прилетели, окопались, соорудили убежища на глубине минимум 2-3 метра (это достаточно надежная защита от радиации) и стараемся пореже и не надолго выходить на поверхность. Выходы на поверхность эпизодические. В основном сидим под грунтом и управляем работой марсоходов. Так ими и с Земли можно управлять, даже еще эффективнее, дешевле и без риска для здоровья. Что и делается уже несколько десятилетий.
О том, что узнали о Марсе роботы – в следующей лекции.
Иллюстрации подготовлены В. Г. Сурдиным и Н. Л. Васильевой с использованием фотографий NASA и изображений с публичных сайтов