Сергей Всехсвятский

Планета Земля и ее соседи

Предисловие

Предлагаемая вниманию читателей брошюра профессора С. К. Всехсвятского отличается некоторыми особенностями, которые целесообразно учесть читателям.

Брошюра посвящена весьма компактному и краткому обзору современных взглядов науки на эволюцию и современное состояние различных тел солнечной системы, в основном планет, их спутников, комет, метеорных потоков. Как известно, изучение планет и других близких к ним небесных тел требует применения исходных данных из самых разнообразных областей науки — небесной механики, оптики, учения о строении вещества, гравиметрии, вулканологии, газовой динамики, биофизики и биологии. Необходимо также пользоваться материалами истории наблюдений за небесными явлениями и палеонтологии, позволяющей судить об излучении Солнца и колебаниях солнечной активности по годовым кольцам в остатках деревьев каменноугольного периода и других геологических эпох.

Совершенно очевидно, что при таких условиях отдельные авторы не могут взять на себя задачу полного изложения хотя бы краткого синтеза всей современной суммы знаний о планетах. По этой причине можно считать целесообразным вопросы, связанные с природой небесных тел солнечной системы, и другие сходные проблемы, освещать в нескольких различных изданиях, каждое из которых можно было бы посвятить преимущественно каким-либо отдельным проблемам. Особенный интерес могут при этом представить такие книги, брошюры и статьи, которые написаны учеными, творчески участвующими в развитии астрономии и связанных с ней наук. Читая такие материалы, широкий круг людей может непосредственно ощутить те характерные черты отдельных творцов науки, которые придают различным научным достижениям конкретный, человеческий, жизненный характер и особенно сильно увлекают читателя, стремящегося сделать научные достижения как бы частицей собственного миропонимания.

Брошюра профессора С. К. Всехсвятского носит именно такую печать индивидуального авторского подхода. Рассматривая по возможности все планеты солнечной системы, затрагивая кометы и метеорные потоки, автор трактует вопросы по-разному. Некоторые из них освещены весьма просто и кратко, в пределах элементарных справочных данных. Другие же вопросы, главным образом касающиеся больших планет — Юпитера и Сатурна, изложены более подробно и включают новые идеи, связанные с исследованиями самого автора. Это придает брошюре оригинальный и живой характер.

Такое построение брошюры требует умения со стороны читателя объективно правильно оценить значение различных вопросов, затрагиваемых в брошюре. Не исключено, что при дальнейшем развитии науки некоторые гипотезы и частные соображения автора будут изменены или уточнены.

Вместе с тем, изучая эту брошюру, внимательный читатель может почувствовать тот творческий подъем и живой интерес, который невольно возникает при соприкосновении с творческой мыслью энтузиастов науки.

Можно надеяться, что данная брошюра обогатит и расширит сведения о небесных телах и дополнит другую литературу, касающуюся этой проблемы. Такое обогащение чрезвычайно важно в настоящее время, когда быстрое развитие космонавтики делает планетную астрономию наукой экспериментальной и на повестке дня стоит не только опытное исследование планет, но даже их использование для тех или иных практических целей.

Включение в общедоступные брошюры новых научных идей является классической традицией нашей отечественной науки, сложившейся веками. Этим путем шли Ломоносов, Тимирязев, Циолковский, Вавилов и многие другие ученые. Профессор С. К. Всехсвятский в своей брошюре также стремится идти по такому пути. Можно надеяться, что читатели творчески отнесутся к оценке этой брошюры и сообщат автору свое мнение по затронутым в ней вопросам.

Профессор, доктор технических наук

Г. И. Покровский

Земля — планета солнечной системы

Четыре столетия напряженного труда ученых — астрономов, математиков, физиков, выполнивших тончайшие наблюдения, глубокие теоретические исследования, понадобилось, чтобы выяснить особенности планетной системы и в какой-то мере природу ближайших к Земле планетных тел.

Мы видим нашу Землю среди девяти больших планет, обращающихся вокруг Солнца. Они находятся по расстоянию от Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Первые пять были известны с глубочайшей древности. Уран «случайно» открыл Гершель в 1781 г. Существование Нептуна было обнаружено в 1846 г., (а до этого теоретически предсказано). В 1930 г. был открыт и Плутон вблизи от теоретически рассчитанного места.

Пути планет отклоняются от окружностей — это немного вытянутые эллиптические кривые. Движение планет происходит по законам Кеплера — быстрее вблизи перигелия — самой близкой к Солнцу точки орбиты, медленнее — вблизи афелия. Периоды обращения зависят от средних расстояний — от полуоси орбиты: Р = а3/2. Астрономы измеряют расстояния в солнечной системе в астрономических единицах. Астрономической единицей считается среднее расстояние Земли от Солнца. Оно равно 149,6 млн. км.

Измерены размеры планет, определены их массы. Для некоторых планет установлено, как они вращаются вокруг своих осей. В таблице 1 приводятся некоторые важные сведения о планетах и отдельных спутниках.

Земля, таким образом, действительно средняя планета и по положению относительно Солнца и по своим размерам. Венера, например, имеет лишь немного меньшие размеры. Вращение Марса вокруг оси очень похоже на вращение Земли; оно определяет смену сезонов года и положение климатических поясов на земной поверхности. Юпитер — планета-гигант. Он в 11 раз больше Земли по перечнику и в 318 раз больше по массе. Любопытную аномалию представляет далекий Плутон, который со времени открытия не прошел и одной восьмой части своей орбиты вокруг Солнца. Плутон почти такого же размера, как Меркурий, и многие астрономы считают его телом, вырвавшимся после какой-то катастрофы из системы Нептуна.

Таблица 1

Название планеты

Период обращения (в годах)

Среднее расстояние от солнца

Диаметр (км)

Масса относительно земли

Средняя плотность (г/см3)

Число спутников

Период обращения вокруг оси

в астрономических единицах

(млн. км)

Меркурий

0,241

0,39

58

4990

0,05

6,1

—

59 суток (?)

Венера

0,615

0,72

108

12100

0,82

5,3

—

250 (?)

Земля

1,000

1,00

149,6

12740

1,00

5,5

1

23 часа 56 мин.

Марс

1,881

1,52

228

6760

0,11

4,1

2

24 часа 37 мин.

Юпитер

11,87

5,20

777

142800

318,0

1,3

12

9час. 50 мин.

Сатурн

29,65

9,58

1432

121000

95,2

0,7

9+кольцо

10 час. 14 мин.

Уран

83,58

19,12

2860

46700

14,6

1,6

5

10 час. 8 мин.

Нептун

165,3

30,12

4500

45000

17,6

2,3

2

15 час.

Плутон

246,5

39,31

5870

5800?

(0,9)?

?

—

6 суток 9 час.

Луна

3480

0,012

3,3

Ганимед[1]

5020

0,026

2,3

Титан[2]

4810

0,023

2,4

Интересна проблема спутников планет. До сих пор открыт 31 спутник. Семь из них имеют большие размеры. Такие спутники — Луна или Ганимед (у Юпитера) или Титан (у Сатурна). Они почти достигают размеров Меркурия и лишь немного меньше Плутона или Марса. Остальные спутники малы. Их поперечники измеряются лишь сотнями, десятками или даже несколькими километрами.

Сатурн окружен многими маленькими спутниками и массами газа и льда, вместе образующими кольцо, видимое вокруг планеты даже в небольшие телескопы. По-видимому, подобное же кольцо, только гораздо более слабое, имеется и у Юпитера.

Множество космических глыб и камней составляет семью астероидов и метеорных тел. Астрономам известно уже более 1600 малых планет и бесчисленное количество камней, которые, часто встречаясь с Землей, выпадают на ее поверхность в виде метеоритов. Пролетая с космической скоростью в десятки километров в секунду через земную атмосферу, они образуют явления болидов и метеоров. Изучая эти явления, исследуя метеориты в лабораториях, ученые устанавливают природу и происхождение многочисленных малых тел, «засоряющих» межпланетное пространство. Число их очень велико, а общая масса приближается, по-видимому, к массе Земли. Все малые планеты и многие метеорные тела движутся по эллиптическим орбитам и принадлежат солнечной системе.

Еще больше в солнечной системе комет, движущихся как по коротко периодическим, так и по очень вытянутым орбитам. 30 млн. лет требуется, чтобы комета могла достигнуть пределов солнечной системы (границы сферы действия Солнца), т. е. пройти 150 000 астрономических единиц и вернуться вновь к Солнцу. Туманные головы и хвосты комет состоят из газа и пыли, образующихся в результате испарения «загрязненных» льдов, находящихся в ядрах комет. Кометы — сравнительно недавно образовавшиеся тела, сохраняющие еще большое количество замороженных газов.

Солнце управляет благодаря силе своего притяжения движением планет и комет, космических глыб и бесконечного числа пылинок — метеорных частиц. Оно оказывает и другие воздействия на планеты и малые тела солнечной системы.

Солнце — звезда, подобная миллиардам звезд, сияющих на ночном небе.

Определив расстояние до Солнца, астрономы убедились, что его размеры действительно колоссальны. Хотя на небе видимый поперечник Солнца равен лунному; или даже немного меньше, расстояние до Солнца (149,6 млн. км, или 1 астрономическая единица) в 400 раз превышает расстояние Луны от Земли; следовательно, во столько же раз Солнце должно быть больше Луны. Если лунный диаметр равен (см. табл. 1) 3,5 тыс. км, значит, размеры Солнца — 1400 тыс. км, в 109 раз больше, чем у Земли.

Измеряя количество энергии, идущее от Солнца, и силу его света, ученые нашли температуру его поверхности, достигающую 6000°, и убедились, что Солнце — это гигантский раскаленный газовый шар, по массе (т. е. количеству вещества) в 330 000 раз превосходящий Землю и почти в 700 раз совокупную массу всех больших планет.

Солнце играет решающую роль во всех процессах на Земле, и поэтому его исследование имеет не только теоретическое, но и громадное практическое значение.

Создана непрерывная служба Солнца, которая с помощью оптических солнечных телескопов, а также радиотелескопов проводит наблюдения процессов на солнечной поверхности. Ведутся регистрация и изучение солнечных пятен — гигантских электромагнитных вихрей в солнечной атмосфере. Размеры их превышают иногда десятки и сотни тысяч километров; напряженность магнитных полей в пятнах, которые научились измерять астрономы, нередко превышает тысячи гаусс[3]. Над яркой поверхностью Солнца — фотосферой — расположены слои более разреженных, раскаленных газов хромосферы. Они часто вздымаются с поверхности в виде протуберанцев на высоту в сотни тысяч километров. В хромосфере и еще в более верхних частях атмосферы Солнца — солнечной короне, четко видимой во время полных солнечных затмений, разыгрываются грандиозные вихри и бури.

Эти процессы управляются могучими электромагнитными силами, возникающими в ионизованном солнечном веществе — в солнечной плазме.

Лучи солнечной короны являются потоками солнечного вещества — корпускулярными потоками, состоящими главным образом из ядер атомов (в основном из ядер атомов водорода — протонов) и электронов.

С особым вниманием изучаются взрывы на Солнце, приводящие к вспышкам, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, к выбросу солнечных корпускул и громадного количества жестких космических частиц.

Около 30 лет назад ученые обнаружили, что Солнце является источником радиоволн. Теперь на многих обсерваториях мира специальные радиотелескопы непрерывно следят за Солнцем и регистрируют его излучение на метровых, сантиметровых и миллиметровых волнах. Полученные данные в виде записей раскрывают картину могучих процессов, разыгрывающихся на солнечной поверхности. Когда в районах пятен происходят гигантские взрывы, астрономы по всплескам радиоизлучения могут определить скорости солнечного вещества, достигающие десятков и даже сотен тысяч километров в секунду. Со скоростью, близкой к скорости света, мчатся частицы космических лучей. Возникающие при солнечных взрывах быстрые космические частицы пронизывают межпланетное пространство.

Первопричиной солнечного излучения и всех процессов на Солнце, по-видимому, является атомная (термоядерная) энергия, вырабатываемая внутри Солнца. При температуре 13–20 млн. градусов в недрах Солнца водород преобразуется в гелий и при этом освобождается часть внутриатомной энергии. Ее оказывается достаточно, чтобы поддерживать высокую температуру звезд в течение миллионов и миллиардов лет.

Астрономы и физики напряженно работают, чтобы разгадать природу солнечных вспышек. Некоторые исследователи полагают, что при движении заряженного солнечного вещества (ионизованного газа) в магнитном поле может происходить сжатие потоков, приводящее к взрывам. Академик В. А. Амбарцумян допускает, что взрывы происходят в результате выхода на поверхность Солнца вещества центральных областей, находящегося в сверхплотном «дозвездном» состоянии. Переход из сверхплотного состояния в состояние обычного разреженного, нагретого газа должен приводить к взрывам. У некоторых звезд эти взрывы приобретают масштабы грандиозных космических катастроф.

Не выясняя природу солнечных процессов, нельзя понять и особенностей Земли, поскольку Солнце играет решающую роль в жизни Земли и других ближайших к нам планет. Солнце излучает гигантское количество света, тепла, радиоволн, заряженных частиц. За секунду Солнце растрачивает энергию, достигающую сотни миллиардов миллиардов киловатт, т. е. в тысячу с лишним раз большую того, что можно было бы получить, сжигая все запасы каменного угля, какие есть на Земле. Из этой энергии Земля получает лишь одну двухмиллиардную, часть, но и это составляет десятки тысяч миллионов киловатт.

Жизнь растений и животных поддерживается и развивается за счет энергии Солнца. Вместе с тем процессы солнечной активности — ультрафиолетовое излучение Солнца, корпускулярные потоки, вырывающиеся с солнечной поверхности, — определяют многие особенности явлений на Земле. От них зависит состояние радиационных поясов вокруг Земли и колебания земного магнитного поля. Потоки жесткого ультрафиолетового излучения и заряженные частички ионизуют верхние слои нашей атмосферы и определяют условия распространения радиоволн, условия радиосвязи на земной поверхности.

Возбуждение в верхней атмосфере (ионосфере) передается в нижние слои, в тропосферу, где разыгрываются все явления погоды.

Гигантский круговорот воды, вызываемый солнечной энергией — испарение вод океанов и перенос водяного пара и капелек воды ветрами, — зависит в некоторой мере от ритма солнечной деятельности. Вот почему 11-летний цикл солнечной активности сказывается на росте деревьев и растений. Однако выяснены далеко еще не все стороны этой связи между солнечными процессами и явлениями на Земле. И не только астрономы, но и геофизики, специалисты по атмосфере и гидросфере, по льдам, земным токам и другим явлениям, а также биологи, физики, радиофизики и исследователи космического пространства интенсивно изучают все проявления солнечных воздействий.

Форма Земли и новые методы ее изучения

В XVIII и XIX веках для измерения Земли астрономы использовали точный метод триангуляции. При этом непосредственное измерение больших длин на Земле заменяется определением углов в системе треугольников, разбиваемых на выпуклой земной поверхности. Сопоставление таких измеренных дуг, проведенных и вдоль меридианов и по долготе, через различные материки, позволило составить представление о форме и действительных размерах твердой оболочки Земли.

Земля оказалась отличной от шара; только в самом грубом приближении можно принимать ее за шар с радиусом 6371,км. В действительности она сплюснута у полюсов в соответствии с законами вращения тел и теорией тяготения Ньютона. Полярный радиус почти на 21 км короче экваториального радиуса. Поэтому во втором приближении Землю можно считать немного сплюснутой сферой, так называемым сфероидом, или эллипсоидом вращения. Элементы этого эллипсоида служат основой для построения точных карт земной поверхности.

Мы приведем данные об эллипсоиде, которые были установлены в 1940 г. советскими учеными: экваториальный радиус равен 6378 км, полярный радиус — 6356,9 км. Поэтому длина меридиана Земли, т. е. окружности, проходящей через полюсы, равна 40 010 км, а площадь всей поверхности составляет 510 млн. км^2. Из них на сушу приходится только 29 %; остальная часть, т. е. почти три четверти всей поверхности, составляет гигантская площадь океанов и морей.

Тем не менее реальная форма Земли отличается и от эллипсоида; материки несколько выступают над поверхностью океанов, а суши оказывается значительно больше в Северном полушарии Земли, нежели в Южном. Выяснение точной фигуры Земли представляет громадный интерес. Поэтому ученые продолжают точные измерения методами геодезии, определяя стороны и углы треугольников и строя геодезические знаки, которые располагаются в вершинах этих треугольников. Производится измерение силы тяжести во всех доступных точках Земли, для чего в последнее время используются чрезвычайно точные гравиметры. Полученные данные позволяют не только судить о неоднородностях в земной коре, залежах полезных ископаемых, но и исследовать форму Земли.

Масса Земли (количество ее вещества) составляет 6000 млрд. млрд. т. Деля массу на объем, мы получаем среднюю плотность земного вещества, которая оказывается в 5,5 раза больше, чем воды. А так как средняя плотность у поверхности всего лишь 2,6 по отношению к воде, вещество внутренних областей Земли должно быть очень сильно уплотнено и соответствовать плотности железа или стали.

В последнее время для изучения размеров и формы Земли стали использовать искусственные спутники. На основе законов небесной механики астрономы умеют определять точные орбиты спутников и путем непрерывных наблюдений следят за всеми изменениями в их движении. Поэтому всегда можно знать, где, когда и на какой высоте пролетает спутник. Точные измерения положения спутника на небе, произведенные из нескольких точек Земли, позволяют судить о положениях самих наблюдателей, т. е. позволяют проверять геодезические данные о земной поверхности. Результаты получаются в ряде случаев более точными, чем при геодезических определениях.

Метод наблюдений спутников особенно важен при выяснении вопроса: смещаются ли материки друг относительно друга? Правда ли, что американский континент отошел в давно прошедшие времена от западных границ Европы и Африки, как это предполагают некоторые ученые? Ведь, действительно, линия восточного побережья Америки хорошо соответствует очертаниям западных берегов Европы и Африки. Для выяснения этого вопроса нужно большое количество точных наблюдений. Пройдет некоторое время, и ученые смогут дать ответ на вопрос о движении материков.

Ракеты и спутники все шире используются также для непосредственного наблюдения Земли с большой высоты, из межпланетного пространства. Все видели замечательные цветные фотографии земной поверхности, снятые Г. С. Титовым с корабля-спутника «Восток-2». Уже ведется постоянная метеорологическая служба со спутников, оборудованных телевизионными установками. По изображениям на экранах земных телевизоров можно следить за состоянием погоды в различных районах Земли, изучать движение циклонов.

Приборы, поднимаемые на спутниках, регистрируют состояние магнитного поля вокруг Земли, количество и особенности космических частиц, метеорные частицы, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение и многое другое. Использование спутников позволило в 1958–1959 гг. открыть существование короны Земли — двух или даже трех поясов частиц высокой энергии — быстрых протонов и электронов, удерживаемых земным магнитным полем. Эти радиационные пояса играют, по-видимому, очень большую роль в различных атмосферных явлениях и в жизни на Земле.

О жизни на других планетах

К теме о жизни на соседних планетах неоднократно обращались выдающиеся мыслители, поэты и писатели; ей посвящены некоторые всемирно известные произведения.

Замечательные ученые-астрономы Скиапарелли, Ловелл, Г. А. Тихов (создавший новое направление в астрономии — астроботанику) изучали эту проблему. Они исследовали особенности Марса и других планет и находили признаки существования там жизни. Особенно много для выяснения условий, господствующих на ближайших планетах, было сделано в последнее время советскими и зарубежными астрономами. Естественно, что основное внимание было обращено на ближайшие к Земле планеты — Венеру и Марс. Сейчас особенно много ожиданий связано с Венерой. После того как советские и американские исследователи отправили уже межпланетные лаборатории к Венере и Марсу, возникла реальная надежда на то, что в недалеком будущем выяснятся многие загадки этих планет.

Со времен Ломоносова было известно, что Венера окружена плотной атмосферой. Но ее поверхность закрыта густым слоем облаков, и она стала доступна исследованию только в самое последнее время благодаря использованию радиолучей, проходящих через атмосферу планеты. После того как в атмосфере Венеры было обнаружено большое количество углекислого газа, многие ученые скептически стали относиться к существованию жизни на этой планете. Но недавно в атмосфере Венеры было открыто присутствие кислорода и воды. Особенно много дали наблюдения Н. А. Козырева, изучающего свечение ночной стороны Венеры; они указали на близкое сходство между земной атмосферой и атмосферой Венеры.

Радионаблюдения Венеды привели к другому важному открытию: оказалось, что температура поверхности планеты достигает чуть ли не 300°. Результаты наблюдений излучения планеты, проведенных с межпланетной автоматической станции «Маринер-2» (14 декабря 1962 г. она прошла на расстоянии всего 35 000 км от поверхности планеты), подтвердили, что зарегистрированная ранее высокая температура относится не к атмосфере Венеры, а к ее твердой поверхности. Эти новые данные, так же как и большая запыленность атмосферы Венеры, установленная советскими астрономами, подтверждают вывод о том, что планета может переживать сейчас подъем вулканической активности, сопровождающийся излиянием лавы и выбросом громадных количеств пепла в верхние слои атмосферы. Такое заключение было сделано более 15 лет назад киевскими учеными при изучении комет и метеорного вещества в солнечной системе.

Указывают ли эти предварительные выводы на то, что на Венере нет условий для жизни?

В истории Земли также отмечались высокие подъемы вулканизма в то время, когда не только высокоорганизованная жизнь, но и человек уже существовал на земной поверхности. Поэтому есть, как полагает автор, основания считать, что жизнь существует и на Венере. Блестящий успех советских станций «Венера-2» и «Венера-3», исследовавших ближайшие окрестности Венеры, служат залогом того, что в ближайшие годы будут выяснены особенности поверхности планеты и условия жизни на ней.

Некоторые исследователи Марса полагали, что на его поверхности наблюдаются сезонные изменения растительного покрова. В спектре Марса было обнаружено присутствие полосы, соответствующей хлорофиллу — зеленому пигменту растений, обусловливающему процесс фотосинтеза. Однако фотоснимки поверхности Марса, переданные в 1965 г. межпланетной станцией «Маринер-4» с расстояния более 200 млн. км, показали ее близкое сходство с лунной поверхностью, где не отмечается жизни.

Атмосфера Марса более сухая и более разреженная, нежели земная; плотность атмосферы у поверхности соответствует примерно тому, что мы имеем у Земли на высоте 20–30 км. Вместе с тем на Марсе есть вода и, возможно, значительное ее количество находится в виде льда. Температура на поверхности днем поднимается до плюс 10–20°, ночью падает до минус 50–70°. Условия явно неблагоприятные для человека, но они не исключают возможности существования других форм жизни на планете. Опыты показали, что некоторые бактерии развиваются и при марсианских условиях.

До недавнего времени среди ученых существовало мнение, что только на Марсе и Венере, помимо Земли, могут развиваться те или иные формы жизни, если они там вообще существуют. Считалось, что на планетах-гигантах жизни существовать не может из-за их отдаленности от Солнца. Однако из некоторых данных вытекает, что поверхность этих планет — горячая; повсюду или в отдельных местах она напоминает условия существования на Земле в прошлом, когда гигантские лавовые моря, медленно остывая, нагревали атмосферу. В этих условиях вне зависимости от солнечного тепла могла зародиться и развиваться жизнь.

Луна

Луна — ближайшее к нам планетное тело — является первой целью в период освоения космического пространства. Луна лишь в 4 раза меньше Земли по поперечнику, и ее радиус равен 1740 км, всего на несколько сот километров меньше, чем у Меркурия. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше земной. Поверхность Луны покрыта многочисленными кольцевыми горами, достигающими часто несколько сот километров в поперечнике, и горными цепями. Специальные статистические исследования и геоморфологические сопоставления привели многих ученых к заключению, что лунные цирки обязаны в значительной мере высокой вулканической активности в прошлом. Подтверждением этого могут служить наблюдавшиеся Н. А. Козыревым в ноябре 1958 г. и в октябре 1959 г. извержения из центральной горки кратера «Альфонс», расположенного в центре лунного диска.

Советские межпланетные станции «Луна-3» и «Зонд-З», сфотографировавшие обратную сторону нашего спутника, а также фотографии, полученные с американских станций «Рейнджер-7», «Рейнджер-8» и «Рейнджер-9», принесли важные для изучения Луны сведения. Наиболее выдающееся достижение последнего времени — мягкая посадка на поверхность Луны станции «Луна-9» позволила выяснить некоторые вопросы строения поверхности Луны.

Луна движется на расстоянии от Земли, которое меняется от 360 000 до 405 000 км, и это в сотни раз ближе расстояний до соседних планет, даже во время их сближения с Землей. Среди многочисленных лунных кольцевых гор (лунных цирков) имеются многие малых размеров, образованные, по-видимому, ударами метеоритов. Однако мощные горные цепи, а также широкие темные области, получившие название морей, несомненно, возникли в результате вулканической деятельности.

Применяя сложную наблюдательную технику, харьковские астрономы установили, что лунная поверхность отличается от земной не только отсутствием водных бассейнов. Поверхность Луны, должны быть покрыта обломками и мелко раздробленным материалом. Об этом говорят как особенности отражения света от поверхности, так и закономерности падения температуры на Луне. Днем (лунный день длится 4 земных дней) температура почвы поднимается до плюс 100–130°, а ночью падает до минус 160°. Во время лунных затмений, когда Земля закрывает на несколько десятков минут прямые солнечные лучи, на поверхности Луны температура быстро падает на 150–200°. Это говорит о том, что поверхность прогревается на небольшую глубину, как бывает при очень рыхлом строении почвы. На Луне нет атмосферы и, возможно, что там присутствуют лишь ничтожные следы газа.

Еще в прошлом столетии на поверхности Луны отмечались отдельные случаи изменений, например у кратеров «Альхазен», «Линней», «Платон», На дне ряда кратеров и особенно внутри цирка «Платон» наблюдатели отмечали различные изменения в размерах и раскраске пятен и т. п. Можно было приписывать это действию остатков влаги, испаряющихся при восходе Солнца. А некоторые астрономы предполагали даже существование живых существ, обитающих в лунной коре, где колебания температуры должны быть незначительны.

За последнее время значительное распространение получила метеоритная гипотеза, предполагающая, что кратеры были образованы в результате ударов о не защищенную атмосферой поверхность Луны гигантских метеоритов. По-видимому, некоторая часть небольших лунных кратеров могла возникнуть таким путем. Но против метеоритной гипотезы говорит тот факт, что кратеры распределены неравномерно на поверхности Луны, они отражают особенности тектонических процессов, которые там имели место.

Детальное исследование, проведенное ленинградским геологом А. В. Хабаковым, показало, что современное состояние лунной поверхности является следствием внутренних сил, результатом мощных вулканических процессов, излияний лавы, образовавших в более позднее время области лунных морей, а также поднятий в других частях лунной поверхности.

Кольцевые горы — следы чрезвычайно интенсивной в прошлом вулканической деятельности, при которой образовались лучистые структуры, хорошо видимые и на восточном крае Луны вокруг кратеров «Кеплер» и «Аристарх». Изменения, которые подмечались, могли быть следствием существующей еще остаточной, очень слабой вулканической деятельности.

Ученые продолжают изучать природу поверхности Луны. Астрометристы исследуют ее фигуру и особенности ее движения; астрофизики используют могучие телескопы, чтобы путем непосредственного фотографирования, изучения яркости деталей, их цветности судить о природе поверхностных слоев. Радиоастрономы записывают собственное радиоизлучение Луны, а также с помощью гигантских радиолокаторов ловят сигналы, отраженные от ее поверхности. Скоро новые космические ракеты помчатся к нашему спутнику, и тайны Луны, загадки ее природы и происхождения будут окончательно выяснены.

Выдающиеся результаты получены недавно В. С. Троицким и его сотрудниками при изучении радиоизлучения Луны на разных длинах волн. Выяснилось, что слоя пыли, которая предполагалась на поверхности Луны, в действительности нет. Луна состоит из пористых вулканических пород, причем температура вглубь довольно быстро возрастает, достигая уже на расстоянии 50 км от поверхности 1000°. В центре Луны температура еще значительно выше. По-видимому, в прошлом Луна являлась телом, особенностью которого была весьма высокая степень вулканической активности.

Новое в изучении планет

Применение современных астрофизических методов, а главное, использование все более мощных оптических и радиотелескопов позволило установить новые особенности планет.

Советскими и иностранными учеными была осуществлена радиолокационная связь с Венерой. С помощью радиотелескопа потоки радиолучей сантиметрового диапазона были направлены на планету, и через несколько минут чувствительные приемники зарегистрировали отраженные от поверхности планеты радиоволны. Изучение этого отраженного сигнала позволило не только проверить правильность установленного астрономами масштаба космических расстояний, но и определить скорость вращения этой таинственной планеты. Сначала получалось, что период вращения Венеры вокруг оси около 9 суток. Однако последующие наблюдения указали на гораздо более медленное вращение и притом в обратном направлении.

Уже более 10 лет регистрируется собственное радиоизлучение Юпитера — гигантской планеты, окутанной атмосферой из водорода, аммиака и метана. Особенность этого радиоизлучения — частые возрастания его интенсивности во время высоких радиовсплесков. Юпитер находится по крайней мере в 4 раза дальше от Земли, чем Солнце, и поэтому всплески могут вызываться лишь грандиозными электрическими разрядами на планете.

Анализ радиоизлучения Юпитера привел к заключению, что планета окружена поясами быстрых частиц, подобными земной короне. Можно было оценить напряженность магнитного поля Юпитера, которое захватывает и удерживает эти частицы. Оно оказалось в десятки раз больше, чем у Земли. С этим, сделанным недавно, выводом хорошо согласуется предположение о существовании вокруг Юпитера кольца, состоящего, подобно кольцу Сатурна, из метеоритов, газа и льда» т. е. из остатков комет.

Все это заставляет думать, что на Юпитере и на других гигантских планетах продолжаются бурные процессы, происходят временами гигантские взрывы (когда резко возрастает вулканическая деятельность). На большую высоту, а иногда и в космическое пространство выбрасываются колоссальные количества газа и пепла.

Детальная фотометрия Юпитера прямо говорит о присутствии твердых частиц в верхней атмосфере планеты. Оценки температур отдаленных гигантских планет свидетельствуют о том, что у них сохраняются внутренние источники тепла и что они должны быть теплыми или горячими на поверхности.

Выяснение состояния планет солнечной системы представляет громадный интерес для изучения Земли, на которой мы живем, для решения важнейших практических задач геологии, биологии и медицины. Именно потому внимание ученых привлечено к дальнейшему изучению природы ближайших планет.

Недавно по поручению Международного астрономического союза были составлены точнейшие карты поверхности Луны. Все участки обращенной к нам лунной поверхности сфотографированы большими телескопами при разных условиях освещения. Во многих случаях измерена высота различных образований на Луне. Все это сделано не только для того, чтобы путем тщательного сравнения в дальнейшем можно было судить об изменениях, происходящих на поверхности нашего спутника. Точные карты и атласы уже теперь дают возможность выбрать подходящие места на Луне для установки автоматических станций, а в дальнейшем и для приземления космических кораблей с космонавтами.

На основании многолетних фотографических наблюдений составлены также точные карты всей поверхности Марса; здесь уже давно отмечаются как сезонные, так и систематического характера изменения в темных областях на планете.

Организованы непрерывные наблюдения облачных поясов на Венере, в которых участвуют крупнейшие обсерватории всего мира. Для регистрации радиоизлучения планет все шире используются различные участки радиоволн — от сантиметрового диапазона до 15–20 м, которые еще проходят через земную ионосферу. Вместе с тем новые гигантские радиотелескопы используются как локаторы для прощупывания с помощью радиоволн поверхности планет.

Для того чтобы исключить вредное влияние земной атмосферы, искажающей и размывающей изображения телескопы для наблюдений планет поднимаются на стратостатах до высоты 25–30 км. Наука стоит на пороге расцвета заатмосферной астрономии, когда большие телескопы на искусственных спутниках или на Луне будут производить наблюдения планет из космического пространства. Появится возможность вести исследование планет в области ультрафиолетового, рентгеновского и более коротковолнового излучения. Все это в громадной степени расширяет возможности науки.

Наиболее вдохновляющие перспективы связаны с выходом человека в космическое пространство и непосредственным изучением природы поверхности ближайших планет. Не остается сомнений в том, что уже в ближайшие годы мы будем свидетелями новых открытий в солнечной системе, которые позволят осветить многие неясные стороны физической природы Земли и ее прошлого.

Летом 1610 г. Галилей, наблюдая в Падуе своим первым телескопом планету Сатурн, обнаружил, что она тройная. Галилей писал одному из своих корреспондентов: «Я нашел целый двор у Юпитера и двух прислужников у Старика (Сатурна), они его поддерживают в шествии и не отходят от его боков». Однако, вновь обратившись к наблюдениям Сатурна в 1612 г., Галилей был чрезвычайно удивлен, не увидев его тройным; два тесных «спутника», являвшиеся как бы ушками кольца планеты, пропали.

Только Гюйгенсу в Гааге через 45 лет удалось приоткрыть тайну Сатурна. Сопоставляя свои и чужие наблюдения, он пришел к заключению, что «спутники», открытые Галилеем, являлись просто ушками тонкого, плоского кольца, почти сплошного, наклоненного к плоскости эклиптики. Именно поэтому с Земли можно наблюдать его при разных раскрытиях. Дважды в течение обращения планеты вокруг Солнца кольцо может располагаться так, что его плоскость становится параллельной лучу зрения. В это время Земля проходит через плоскость кольца, и оно к нам обращено ребром. Именно тогда кольцо не видно; оно пропадает потому, что оно очень тонкое и с громадного расстояния в 8,5 астрономической единицы (1,3 млрд, км), которое отделяет Сатурн от Земли во время противостояний, просто не различается в небольшие телескопы. Кольцо исчезает через каждые 14–16 лет.

В 1966 г. в начале апреля, в конце октября и в середине декабря Земля находится в плоскости Сатурнова кольца.

Некоторые астрономы XVIII и начала XIX века допускали, что кольцо может быть сплошным и твердым или состоять из ряда тонких сплошных колец, твердых или жидких.

Однако уже к середине прошлого столетия астрономам, наблюдавшим кольцо, стало ясно, что оно не могло быть твердым телом. В 1857 г. К. Максвелл рассмотрел теоретически вопрос о равновесии колец Сатурна; он пришел к заключению, что они не могут быть твердыми, не могут быть жидкими, а должны состоять из отдельных частиц — пылинок или камней, из которых каждая как независимый спутник обращается вокруг Сатурна.

В 70-х годах прошлого столетия Софья Ковалевская дала наиболее полный теоретический анализ строения и устойчивости кольца. Ее выводы вскоре подтвердили спектроскопическими наблюдениями Килер, А. А. Белопольский, Кэмпбелл и Деландр. Кольцо действительно оказалось состоящим из множества независимых спутников, обращающихся вокруг планеты по законам Кеплера.

С середины прошлого столетия, когда астрономы с помощью все более совершенных телескопов изучали систему Сатурна, они отметили многие изменения в кольце.

Темный промежуток в кольце — так называемая щель Кассини, отделяет внешнюю область кольца А от средней, самой яркой части — В; внутренняя, гораздо более слабая, зона С носит название крепового кольца. Еще более 115 лет назад Бонд обратил внимание на то, что тонкие деления в кольце А и в кольце В, несомненно, изменяются. В некоторые периоды они видны хорошо, в другие незаметны. Например, темная щель в кольце А, открытая Энке, исчезала при других раскрытиях кольца. Часто наблюдалось появление различных неоднородностей, ярких сгущений в кольце, в другие периоды не отмечавшихся. Креповое кольцо С представлялось то ярким, легко наблюдаемым, то бывало едва видимо; иногда оно простиралось до самой поверхности планеты. В 1907–1909 гг. французские и английские астрономы наблюдали появление слабого кольца, еще более внешнего, чем кольцо А. В это же время американскими астрономами была отмечена необычно высокая яркость внутренней зоны С.

Астроном Струве (Пулковская обсерватория) еще 100 лет назад заподозрил постепенное расширение кольца и приближение его внутреннего края к поверхности планеты. Сопоставив точные измерения размеров колец, сделанные на протяжении 200 лет, он нашел, что за это время внутренний край кольца приблизился к планете на 18 тыс. км. Современные наблюдения как будто бы подтверждают расширение колец, хотя цифры получаются несколько иными.

В конце прошлого столетия известный русский астроном А. А. Белопольский отметил, что распределение яркости в спектре кольца отличается от спектра самой планеты. На фотографиях в разных лучах, полученных Г. А. Тиховым в 1909 г. с помощью 30-дюймового пулковского телескопа, ясно было видно, что кольцо значительно «голубее» планеты. В 30-х годах этот вопрос детально исследовал Г. А. Шайн с помощью метрового рефлектора Симеизской обсерватории. Результаты этих исследований и ряд более поздних работ привели астрономов к убеждению, что в отдельных частях кольца, помимо твердых частиц и тел метеоритной природы, находится лед и некоторое количество газа. В последние годы присутствие льда в кольцах Сатурна было подтверждено.

Лед в свободном состоянии не может длительно существовать, на том расстоянии от Солнца, где движется Сатурн (9,5 астрономической единицы). Вплоть до 11 астрономических единиц, т. е. до расстояний в 1,7 млрд. км, солнечная фотонная и корпускулярная радиация должна испарять льды, выбрасывая газовые частицы из солнечной системы. Именно такой процесс мы наблюдаем в кометах, у которых бурно испаряющиеся замороженные газы образуют туманные головы и хвосты, являющиеся потоками заряженных частиц — атомов, молекул и электронов, отбрасываемых солнечным ветром от Солнца.

Наблюдающиеся изменения и особенности кольца Сатурна говорили о сравнительно быстрой его эволюции и о происходящем даже в наше время пополнении вещества колец. Следовательно, на самой планете и на ее спутниках происходят могучие вулканические процессы, когда вещество (обломки коры, замерзших газов и пепла) должно выбрасываться со скоростью в несколько километров в секунду. Такой вывод сделан был автором этой брошюры еще в 1952 г. Он подтверждается тем, что известно из наблюдений поверхности Сатурна. В 1876, 1891, 1895, 1933 и 1946 гг. ученые наблюдали появление ярких белых пятен на планете, существовавших в течение длительного времени. Эти явления, замеченные на громадном расстоянии, должны быть грандиозными процессами космических масштабов.

Кольцо Сатурна, по-видимому, имеет кометно-метеоритную природу. Что известно сейчас ученым о кометах и метеоритах, имеющих такое близкое отношение к планетам и, следовательно, к нашей Земле?

Кометы и метеориты

Почти каждый год наблюдается около 10 комет; общее число отмеченных появлений превышает 1800. Однако только для 860 из них были определены орбиты. Оказалось, что они относятся к 580 независимым кометам. Из них 445 имеют периоды обращения больше 1000 лет, а некоторые обладают даже гиперболическими эксцентриситетами, т. е. навсегда уходят из солнечной системы. 77 комет движутся по эллиптическим орбитам небольших размеров с периодами около 6 лет. Эти кометы принадлежат к семейству Юпитера. Остальные 57 комет обладают периодами обращения от 15 до 1000 лет. Часть из них относится к семействам Сатурна, Урана и Нептуна.

Из многочисленных теоретических и вычислительных исследований вытекает, что все кометы принадлежат к солнечной системе и постепенно выбрасываются за ее пределы, в межзвездное пространство.

Астрономы выяснили физическую природу и состав комет. Их светящиеся головы и хвосты состоят из чрезвычайно разреженных газов, главным образом углерода, циана, окиси углерода, молекулярного азота, а также из ионизованных атомов и молекул и, наконец, из пыли. Кометные газы — это продукты распада под действием солнечной фотонной и корпускулярной радиации более сложных родительских молекул.

Ядра комет состоят из замороженных газов, в составе которых должны быть метан и аммиак, включения в виде метеоритных масс и пыли. Почти 20 лет назад автором было показано, что газы в кометах должны быть в виде льдов, часто у некоторых комет, загрязненных включением мельчайшей пыли. Испарение загрязненного льда служит источником образования головы и хвоста у комет, когда в отдельных случаях довольно большое пространство солнечной системы заполняется распадающимися молекулами газа и облаками космических пылинок.

Массы комет в сравнении с массами больших планет оказались ничтожно малыми — порядка стомиллиардной доли массы Земли (т. е. 10^16 г) или даже меньше. Советские астрономы обнаружили малую устойчивость комет, их быстрый распад. Это позволило оценить возраст многих периодических комет всего лишь в несколько десятков или сотен лет.

В 1930 г. был установлен важный факт: яркость комет быстро слабеет; от появления к появлению они становятся все менее яркими, и за 10–20 появлений их яркость ослабевает в десятки и сотни раз.

Стало ясно, что кометы быстро истощают запасы газообразующих материалов, из которых возникают туманные головы и хвосты комет. Таким образом, кометы совсем недавно должны были появиться в области планет. Могло ли это произойти в результате захвата? Тщательное рассмотрение проблемы заставило нас решительно отбросить возможность захвата.

Автор этих строк пришел к выводу, что кометы сейчас, в наше время, рождается в солнечной системе и что они имеют определенное отношение к системе Юпитера, так как все короткопериодические кометы тесно связаны с этой планетой. В настоящее время становится все более очевидным, что они возникают в результате выброса продуктов извержений (обломки коры, лед, пепел) с поверхности спутников Юпитера[4].

Выяснились и другие замечательные особенности комет. Кометные льды по составу оказались близкими к газам планетных атмосфер. Некоторые данные говорят о том, что большие спутники Юпитера покрыты слоем замерзшей атмосферы, т. е. льдом.

Постепенно собиралось все больше доказательств того, что короткопериодические кометы возникают в настоящее время в результате извержений в системе Юпитера, что это продукты вулканических выбросов на планетных телах. Подтверждением этих выводов можно считать и открытие в последние годы следов газовой атмосферы на спутниках Юпитера. С другой стороны, наблюдения яркой кометы Икейя-Секи 1965 г. подтвердили, что в ядре комет находятся метеоритные массы. Все известные данные о метеоритах, метеорных телах, астероидах подтверждают заключения исследователей комет.

Изучение структуры и химического состава метеоритов приводит к заключению о том, что они являются обломками коры планетных тел. А. Н. Заварицкий установил, что большинство каменных метеоритов весьма близко по структуре к туфовым породам вулканических районов Земли. Еще в 1948 году А. Н. Заварицкий утверждал, что метеориты должны были образоваться в результате разрыва планеты или выбросов с поверхности различных планетных тел. Еще ранее советский ученый-минералог В. Н. Лодочников пришел к заключению о возможности образования метеоритов и потоков метеорных тел при гигантских земных извержениях.

Метеорное вещество в солнечной системе, которое мы наблюдаем в виде «падающих звезд», в последнее время изучено особенно детально. Метеорные частицы как мельчайших размеров, измеряемых микронами, так и в виде камней до долей сантиметра движутся в межпланетном пространстве часто по параллельным путям, образуя потоки или в одиночку, вызывая в земной атмосфере явление спорадических метеоров.

Метеорное вещество быстро эволюционирует в солнечной системе. На мельчайшие частички действует световое давление солнечных лучей, оказывают разрушающее действие корпускулярные потоки Солнца, разлагающе действуют притяжение планет, магнитные и электрические поля.

Время жизни метеорных потоков оказывается не более нескольких сотен или тысяч лет. Орбиты метеоров, определенные фотографически или с помощью радиолокаторов, говорят об образовании метеорных потоков внутри солнечной системы. Они должны иметь совсем недавнее происхождение. Известно, что многие потоки образовались в результате распада комет. Таковы потоки Орионид и Гамма-Акварид, образованные кометой Галлея, или поток Персеид, связанный с кометой 1862 III.

Все эти данные служат подтверждением идеи извержения, если признать метеорные частицы вулканическим пеплом. Извержение должно сопровождаться выбросом большого количества пепла, обломков коры и льда (если им покрыта планета в активном районе), и образовывать метеорные истоки в солнечной системе. Так можно объяснить, почему кометы сопровождаются метеорными потоками. Однако могут существовать метеорные потоки и вне связи с кометами, когда извержения происходят в таком месте планетного тела, где отсутствует лед. Астрономы действительно наблюдают многие потоки, не имеющие отношения к кометам.

Наблюдаемые особенности комет и метеоритов служат независимым подтверждением метеоритно-кометной природы кольца Сатурна и аналогичного кольца Юпитера, которое, по-видимому, существовало в течение последнего столетия. Грандиозная вспышка активности на Юпитере в 1961–1965 гг. позволила независимо оценить масштабы вулканических процессов на планете.

Кольца или облака метеоритных частиц, возможно, будут обнаружены и около других планет. Некоторое время назад польский астроном Кордылевский объявил о существовании пылевых спутников Земли, движущихся вблизи орбиты Луны. Некоторые медленные болиды, а также результаты наблюдений, проводящихся с помощью искусственных спутников, дают основание предполагать, что Земля окружена целым поясом метеорных частиц, облаками маленьких спутников. Они должны быть сравнительно недавнего происхождения, так как не могут долго обращаться вокруг планеты, постепенно выпадая на ее поверхность.

Пылевые облака, движущиеся вокруг Земли, могли образоваться при вулканических процессах на Луне или в результате взрывов, возникающих при ударе метеоритов о лунную поверхность.

Кольца планет указывают на громадную роль эруптивных, вулканических процессов в развитии планет. Сведения о кометах позволяют оценить масштабы и следствия этих процессов. Подсчет количества комет в солнечной системе, оценка массы колец приводят к заключению о том, что за время существования солнечной системы из планет выбрасываются громадные количества вещества. Большая часть продуктов извержения уходит из пределов солнечной системы.

Все это говорит о том, что многие миллионы лет назад планеты, в том числе и Земля, были больше и массивнее. Даже на протяжении последних миллионов лет большие планеты и спутники планет могли потерять заметную долю своей массы.

Что же служит движущей силой вулканических процессов космических масштабов? Что совершается внутри планетных тел, где концентрируется могучая энергия, приводящая к выбросу комет, образованию колец, к засорению космического пространства метеоритными осколками и метеорной пылью?

Эти вопросы требуют решения. Только проникновение в природу таких процессов позволит с достоверностью воссоздать историю возникновения и развития Земли как планеты.

Каждый день исследований в космосе и на нашей Земле приносит новые данные об истории планет. Все понятнее становятся «письмена» космической истории, долго остававшиеся нерасшифрованными.

Метеоры говорят нам о явлениях десятилетней, столетней и, может быть, тысячелетней давности. Некоторые метеорные потоки почти не оставляют сомнения в том, что они были выброшены с поверхности Венеры. Это согласуется с преданиями народов Америки и Ближнего Востока, относящимися ко времени за 4 тысячелетия до нашей эры. Венера здесь упоминается «курящейся», с хвостом, как если бы на ней происходили могучие извержения.

Изучение комет и колец планет дает надежду установить, какие процессы совершались на планетах тысячи, миллионы и десятки миллионов лет назад.

Внутреннее строение Земли

О внутреннем строении Земли ученые смогли получить представление из разных источников. Непосредственное углубление в почву с помощью шахт осуществлено лишь до 4–5 км, а в результате бурения — до 7 км. Хотя это ничтожно мало в сравнении с радиусом нашей планеты (6370 км), тем не менее эти методы дали возможность выяснить, например, как возрастает температура при продвижении в глубь Земли. В среднем «геотермическая ступень» оказалась равной 33 м, с которыми температура возрастает на 1°. Она может колебаться от 23 до 104 м.

Уже на глубине 100 км температура должна составлять не меньше 1500°. Важные заключения о процессах внутри Земли можно сделать, изучая геологическое строение земной поверхности и оценивая освобождающиеся могучие силы при тектонических катаклизмах. При этом можно получить представление о глубинах более 10 км, что, конечно, совершенно недостаточно.

Кора Земли — литосфера — имеет толщину до 60–70 км под горными районами материков и оказывается довольно тонкой (около 5—10 км) под дном океанов. Земная кора образуется изверженными гранитными и базальтовыми породами с небольшим процентом осадочных и метаморфизированных горных пород. Более верхний гранитный слой состоит из соединений кремния и алюминия (сиаль), а располагающиеся ниже базальты состоят преимущественно из кремния и магния (сима).

Под корой на глубинах от 50–60 до 2900 км располагается оболочка или мантия Земли. Об этой геосфере, отделенной поверхностями раздела от коры и от глубинного ядра, ученые узнали из изучения сейсмических волн, распространяющихся в теле Земли от очагов (эпицентров) землетрясений.

Определяя скорость распространения волн различных типов, можно было судить о механических свойствах, о твердости глубинных пород. Эти свойства резко меняются на глубине около 50 км и 2900 км. Большинство ученых считает, что материал мантии находится в расплавленном состоянии и постепенно отдает свое тепло. Считается, что источником тепла служит преимущественно распад радиоактивных элементов, сосредоточенных главным, образом в верхних слоях Земли.

В верхней мантии — оболочке Земли — давление, возрастающее в глубь Земли, достигает значения до 10 000 атм и температура — около 1500°, как вытекает из теоретических расчетов. Эта оболочка состоит из плотных минералов типа оливинов и пироксенов, в которых скорость распространения сейсмических волн напоминает условия, существующие в мантии. Здесь средняя расчетная плотность считается равной средней плотности Луны.

Ядро Земли от глубины 2900 км разделяют на две части: внешнюю — до 5000 км и внутреннюю — от 5000 км до центра Земли, т. е. до 6370 км. На этих границах изменяется характер распространения сейсмических волн. Предполагается, что в составе ядра преобладают металлы, и некоторые ученые считали, что вещество ядра, во всяком случае, глубже 5000 км — твердое.

Однако расчет давления к центру Земли указывает на колоссальные значения порядка 3 млн. атм. Рост давления должен сопровождаться и ростом температуры, которая получается различной в зависимости от условий расчета. По некоторым данным, она может достигать 12 000° в центре, при плотности вещества порядка 17 г/см^3.

Еще в 1939 г. советский ученый В. Н. Лодочников выдвинул гипотезу о том, что существование поверхностей раздела внутри Земли объясняется не различием химического состава вещества, а изменением его состояния при росте давления, так называемым фазовым превращением.

Сейчас это мнение является распространенным. «Металлическое состояние» центральных областей Земли может быть следствием громадного давления, при котором нагретое до высокой температуры вещество сохраняется в квазигазообразном состоянии.

О состоянии внутренних областей Земли позволяют судить данные об ее фигуре, распределении силы тяжести и о колебании ее оси вращения, изучаемых астрономическими средствами. Из этих данных, тщательно проанализированных в работах советского астронома М. С. Молоденского, вытекает, что ядро Земли находится в жидком состоянии. Об этом же говорит и характер вековых изменений магнитного поля Земли и само его существование.

Таким образом, хотя некоторые особенности внутреннего строения Земли выяснены, многое остается еще неясным. Какова действительная температура внутри Земли?

Действительно ли источником энергии внутри Земли является лишь радиоактивный распад? Какие физико-химические процессы протекают в оболочке и ядре Земли? Какие из этих процессов определяют особенности земного магнитного поля? Каковы причины многочисленных катаклизмов, которые переживала Земля?

Эти и многие другие вопросы еще ждут своего решения. Их разработке может помочь правильное понимание прошлого нашей планеты, ее космогонической истории.

Возраст Земли и Солнечной системы

Мы видим, как современные быстро растущие знания о Земле, о природе планет и различных групп малых тел устанавливает недостаточность и прямую ошибочность прежних космогонических гипотез. Одновременно выясняется сущность гигантских процессов, происходящих на Солнце.

Существуют данные, которые прямо говорят о прошлом Земли. Можно сказать даже, что окружающий нас космический мир и сама Земля сохраняют отметки, черты прошедшего развития. Они содержат в себе собственную историю. И эту историю можно научиться читать.

Но почему же тогда далеко еще не все нам известно о прошлом небесных тел? Почему остаются открытыми тайны рождения и развития Земли? Мы можем ответить на этот вопрос.

Современная наука о природе возникла сравнительно недавно, лишь после того, как было определено место Земли во Вселенной и показана несостоятельность религиозных объяснений мира.

Но первое время мир считался чем-то неизменным, застывшим, раз навсегда заданным. В XIX веке наука поднялась на более высокую ступень. Из необходимости объяснить прошлое небесных тел возникло представление о развитии, происходящем в природе. Становилось все более ясным, что не только окружающие нас явления и объекты на Земле, но и небесные тела переживают историю, развиваются.

Но это развитие понималось лишь в смысле накопления или уменьшения движения или каких-то неизменяющихся элементов, т. е. в смысле механическом. Поэтому в те времена не могла быть выяснена подлинная сущность явлений, происходящих в космосе.

Только позднее появилась возможность изучать действительные процессы развития в природе.

Диалектический метод стал основой современного естествознания сравнительно недавно. Потребовалось время, чтобы с новой точки зрения взглянуть на данные астрономии, на явления космического мира. Эта перестройка далеко еще не закончена. Но главное уже достигнуто. Наука находится на правильном пути; она вскрывает диалектику грандиозных процессов, происходивших и происходящих в космосе.

Оказалось возможным, например, оценить возраст Земли, а также метеоритов и совершенно другим путем выяснить возраст иных космических объектов, например звезд, комет и др.

Один из первых методов основывался на определении количества соли в водах океанов. Почти три четверти (точнее, 0,71) всей поверхности Земли занимают океаны. Это составляет громадную площадь в 360 млн. км^2; средняя глубина океанов равна почти 4 км. Гигантские резервуары содержат около 1350 км^3 воды, в которой растворено колоссальное количество соли. Из-за соли вода океанов и морей горькая и мало пригодна для питья. Этим она и отличается от пресной воды рек или озер или колодезной воды.

Откуда же взялась соль в океанах? Под действием солнечных лучей вода океанов и морей частично испаряется, пары воды насыщают нижние слои атмосферы. Действием ветров пары воды разносятся во все уголки земного шара, и здесь вода выделяется из атмосферы в виде дождей или снега и льда. Новые потоки, пополняющие подпочвенные воды, текущие ручьями и реками, размывают почву и растворяют находящиеся в ней соли. Постепенно увеличиваясь в объеме, воды рек стремятся к океанам. Пресная только по сравнению с морской речная вода приносит с собой соли. И эта соль постепенно концентрируется в океанах, так как при испарении соль остается в растворе.

Можно подсчитать, какое количество соли приносят ежесуточно все реки на Земли, а тогда уже просто установить, сколько же потребовалось времени, чтобы образовать гигантские резервуары соленого раствора океанов.

Так подсчитали, что возраст океанов должен быть около 500 млн. лет. Однако он мог быть и в несколько раз больше или меньше, если в прошлом условия накопления солей в океанах были иными.

Гораздо более точным является метод, использующий распад радиоактивных элементов. Всем известно о таких распадающихся элементах, как радий, или уран, или торий. В любых горных породах присутствуют хотя бы микроскопические следы этих элементов и продуктов их распада. В природе встречаются разные изотопы урана, тория и других радиоактивных элементов. Установлено в лабораторных условиях, с какой скоростью происходит распад радиоактивных элементов и какие новые элементы образуются в результате этого распада.

Измеряя количество изотопа свинца, образовавшегося из определенного изотопа урана или тория, можно судить о возрасте земной коры, содержащей радиоактивные элементы. Этим методом удалось установить, что самые древние породы имеют возраст около 4 млрд. лет.

Для проверки полученных данных использовали другие радиоактивные элементы — калий и рубидий, которые, распадаясь, превращаются в кальций, аргон и стронций. Возраст получался также порядка 4,5 млрд. лет.

Возраст вещества метеоритов оказался близким к возрасту земной коры. В последнее время, по данным всесторонних анализов, он принимается равным 4,6 млрд. лет. По данным астрофизики и звездной астрономии, возраст звезд также в среднем составляет несколько миллиардов лет. Солнце, по-видимому, обладает возрастом в 5 млрд. лет. В связи с этим существует мнение, что планеты могут быть в буквальном смысле «детьми» Солнца.

В пользу этого представления говорит также то, что в большинстве случаев звезды не одиночные тела, а компоненты двойных или множественных систем. Звезды образуются группами, кратными системами. Многое заставляет думать, что и солнечная семья планет образовалась в результате эволюции группы или системы звезд, в результате распада звездного тела.

От различных предположений — космогонических гипотез — наука постепенно подошла к выяснению действительного пути развития планет и Земли; таково мнение автора брошюры и ряда других советских астрономов.

Уже в глубокой древности люди пытались объяснить окружающий мир и представить себе, как происходило образование звезд, Солнца, планет и прежде всего самой Земли — носительницы жизни. Отражаемые в религиозных преданиях и мифах, эти первые представления были совершенно фантастичны.

Великие древнегреческие мыслители Гераклит, Демокрит, Эпикур учили о развитии во Вселенной, в природе, выдвигали различные космогонические схемы. Но это были лишь гениальные догадки; действительных же знаний о космосе и о Земле еще не было.

Только после Коперника, вместе с рождением современной астрономии, появилась и научная космогония.

В XVIII веке Кант и позднее Лаплас выдвинули свои космогонические гипотезы, которые оказали большое влияние на развитие естествознания. Кант предполагал, что хаотическое скопление первичного материала изменялось и развивалось. Более массивные частицы собрали вокруг себя рассеянный материал, образуя планеты и другие тела солнечной системы. Подобным образом, по его мнению, развивалась и система Млечного Пути, куда входит множество звезд с их планетами. Кант предполагал также, что вещество, собранное в звезды и планеты, может вновь быть рассеяно в пространстве, после чего из хаоса опять будут возникать миры.

Лаплас представлял себе нагретую газовую туманность, медленно вращающуюся вокруг оси. По мере сжатия и уплотнения туманность должна была вращаться все быстрее. Из отделяющихся вследствие быстрого вращения колец и должны были образоваться планеты.

Космогонические гипотезы Канта и Лапласа были первыми попытками теоретически объяснить происхождение солнечной системы и Земли. Они утверждали идею развития в космосе и разрушали миф о сотворении мира.

Гипотеза Лапласа более ста лет была общепризнанной. Но в начале XX века были установлены новые данные о законах поведения вещества, выяснены важнейшие особенности процессов в звездном мире и в солнечной системе. Гипотезу Лапласа нельзя было согласовать с новыми знаниями, и она была заменена другими гипотезами.

Широкую известность приобрели гипотезы Мильтона и Джинса, согласно которым планетная система образовалась из солнечного вещества, выброшенного из первичного Солнца в результате катастрофы.

Гипотезы Вейцзекера, Койпера, Уипла, О. Ю. Шмидта, Альфвена рисовали различные пути формирования планет из рассеянного вещества — пыли и газа, окружавшего Солнце. По Вейцзекеру, планеты возникли в туманности, из которой образовалось и само Солнце. О. Ю. Шмидт считал, что Солнце захватило пылевую туманность в межзвездном пространстве. Альфвен предполагал, что решающую роль сыграло магнитное поле Солнца. Все эти гипотезы в своей основе были умозрительными. Они исходили из того или другого предвзятого положения и не использовали всего многообразия фактов и явлений, которые установлены развивающейся наукой.

Современная космогония пошла по иному пути. В звездной астрономии и в астрофизике накоплен громадный наблюдательный материал, изучение которого прямо приводит к определенным выводам о путях развития небесных тел.

В 1949 г. В. А. Амбарцумян доказал ошибочность предположения о том, будто все звезды и звездные системы образовались одновременно 2 млрд. лет назад. Амбарцумян открыл группы молодых звезд — звездные ассоциации, которые ясно показывали, что звезды возникают в нашей Галактике и теперь.

В. Г. Фесенков и его сотрудники исследовали волокнистые туманности, где, по их мнению, происходит формирование звезд.

Наиболее замечательные результаты последнего времени получены из изучения галактик — гигантских звездных систем, подобных системе нашего Млечного Пути.

Здесь все более выясняется, что не только отдельные группы звезд, но и целые скопления галактик, включающие часто десятки и сотни миллиардов звезд, возникают в результате какого-то процесса распада.

Еще не выяснены причины этих гигантских процессов. В. А. Амбарцумян считает, что здесь распадаются чрезвычайно массивные сверхплотные тела. В космосе известны, например, белые карлики, плотность которых фантастически велика и может превосходить в некоторых случаях сотни тонн в кубическом сантиметре. Распад подобных, но более массивных сверхсжатых тел и мог образовать звездные ассоциации в галактиках и сами группы галактик. В самое последнее время были обнаружены такие сверхплотные тела загадочной природы. Они были названы сверхзвездами или квазизвездными объектами (квазарами). Какое же отношение все эти новые выводы имеют к космогонии Земли и планет? Оказывается, самое непосредственное.

Нельзя оторвать проблему происхождения планет от выводов звездной космогонии. Большая часть звезд произошла путем деления, распада более массивных тел. Звезды не только входят в состав разбегающихся групп, они встречаются главным образом в виде двойных, тройных и вообще кратных звезд. Не является ли планетная система нашего Солнца результатом дальнейшего развития двойной звезды? Соответствует ли этому то, что известно о процессах развития в солнечной системе?

Солнце теряет свое вещество вследствие освобождения атомной (термоядерной) энергии. Каждую секунду 4 млн. т солнечного вещества преобразуется в излучение и теряется Солнцем в виде света и тепла. Приблизительно столько же Солнце теряет в результате выброса заряженных частиц с поверхности. Советские ученые подсчитали, что в прошлом Солнце выбрасывало корпускулы в гораздо большем количестве. Миллиарды лет назад Солнце имело, по-видимому, в 10 раз больше вещества, и оно выбросило его в пространство.

А что известно о планетах? Давно уже астрономы приходили к заключению, что наша Луна в давно прошедшие времена отделилась от Земли. По-видимому, и некоторые другие спутники были результатом распада первичных планет. Мы уже говорили о том, что планеты способны выбрасывать громадные количества вещества в пространство и что, по-видимому, кольцо Сатурна образовано твердыми осколками и массами пыли и газа, выброшенными с поверхности планеты и ее спутников.

Можно предполагать, что множество комет, метеоритов и метеорных частиц, которые движутся в солнечной системе, является продуктами мощных вулканических процессов на планетах. Поэтому многие миллионы лет назад планеты, и в том числе Земля, были больше и массивнее.

Расчеты, произведенные в последнее время, приводят к выводу, что средняя плотность планет является прямым указателем такой эволюции. Существует закономерность: чем планета дальше от Солнца, тем ее средняя плотность меньше (см. таблицу). Под действием приливообразующих сил Солнца близкие планеты могут быстрее выбрасывать менее плотное вещество поверхностных слоев, увеличивая свою среднюю плотность. Подобная же закономерность существует и в системе спутников Юпитера, что служит веским подтверждением решающей роли вулканических процессов в истории планетных тел.

В результате могучих катаклизмов планетные тела могли терять значительную часть вещества поверхностных слоев — замерзшие углеводороды, обломки (фрагменты) коры, неоднократно обновлявшейся. Отделявшиеся грандиозные массы пепловых частиц заполняли межпланетное пространство.

Быстрее всего этого процесс оголения глубинных областей должен был проходить у планет, ближайших к Солнцу, мощные приливные воздействия которого содействовали повышению активности вулканических процессов на планетах. Этим можно объяснить современное распределение плотностей у планет и высокие плотности у планет типа Земли. Только в этом предположении получают объяснение и меньшая плотность Луны, отделившейся от Земли, и малые плотности некоторых спутников планет-гигантов, и современные особенности планет.

Подтверждением этой гипотезы образования планетных тел могут служить средние плотности спутников Юпитера (Ио — 4,9, Европы — 4,1, Ганимеда — 2,3, Калисто — 1,9[5]), показывающих столь же закономерные изменения, как и у больших планет.

Можно думать, что первоначальные планеты, обладая различными массами и размерами, имели одинаковую среднюю плотность — плотность первичного звездного вещества. Считая, что Юпитер и Сатурн потеряли незначительную долю своей первоначальной массы, а все другие протопланеты были близки к ним по первичным массам, мы получаем, что Уран и Нептун могли потерять (5—19)x10^29, а планеты типа Земли (6—20)x10^29. Выброшенная масса планет в совокупности могла составить 10^30–10^31 г. Эта величина хорошо согласуется с результатами изучения комет и других малых тел.

Следует отметить, что в космогонической гипотезе астронома Койпера и в трудах некоторых других космогонистов отстаивается идея выброса из солнечной системы большей части вещества протопланет. Однако эта, по мнению автора, правильная идея в космогониях классического направления не была связана с реальными процессами космического планетарного вулканизма. Исследование этих процессов и сравнение их, наряду с дальнейшим изучением планет и малых небесных тел, помогут выяснить действительную картину прошлого космических тел и нашей планеты — Земли.

Как мы видели, метеоры нам говорят о явлениях столетней и тысячелетней давности. Кометы позволяют характеризовать процессы, совершавшиеся в планетной системе миллионы и десятки миллионов лет назад.

Выяснение настоящего и прошлого планет имеет выдающееся значение для практической жизни, приближая решение важных проблем геофизики и геологии.

Выход человека в космическое пространство и освоение ближайших космических тел уже в ближайшие годы принесет окончательное решение основных проблем планеты Земля.

Примечания

1

Спутник Юпитера.

2

Спутник Сатурна.

3

Гаусс — единица напряженности магнитного поля.

4

Эта точка зрения автора брошюры — профессора С. К. Всехсвятского — не разделяется некоторыми другими учеными. Примечание рецензента.

5

По другим данным, соответственно: 4,0; 3,8; 2,3; 2,1.

Content

Сергей Всехсвятский
Планета Земля и ее соседи

Предисловие

Земля — планета солнечной системы

Форма Земли и новые методы ее изучения

О жизни на других планетах

Луна

Новое в изучении планет

Кометы и метеориты

Внутреннее строение Земли

Возраст Земли и Солнечной системы

Примечания