Последний уровень раздела предыдущего изложения   Текущий уровень изложения предыдущего раздела   Текущий уровень изложения следующего раздела   Первый уровень изложения следующего раздела   Уровень: Глоссарии:


Солнечная система, проникновение в нее человека



В один из июльских дней 1969 года миллионы людей во всех уголках земного шара, прильнув к телеэкранам, смотрели прямой репортаж о кульминационном этапе полета американских астронавтов на космическом корабле "Аполлон-11". 21 июля в 5 ч. 56 мин. 20 с. (время московское) Луна стала первым небесным телом, на которое высадились земляне. Ступив на лунную поверхность, командир "Аполлона-11" Нейл Армстронг воскликнул: "Этот маленький шаг одного человека означает гигантский скачок для всего человечества". Вслед за Армстронгом из посадочного модуля вышел Эдвин Олдрин. Прежде всего они установили Государственный флаг США и освободили табличку с надписью: "Здесь человек с планеты Земля впервые ступил на Луну. Июль. 1969. Мы пришли с миром от имени всего человечества".




рис 2.24. Первые астронавты на луне

Астронавты быстро адаптировались к условиям лунной гравитации и приступили к работе. Взлет с Луны, встреча на селеноцентрической орбите с основным отсеком корабля, на котором в роли страхующего оставался третий член экипажа Майкл Коллинз, и старт в сторону Земли прошли безукоризненно. 24 июля "Аполлон-11" благополучно приводнился в Тихом океане. В период с июля 1969 года по декабрь 1972 года США осуществили шесть высадок на Луну, расширяя каждый раз программу ее изучения.



В СССР программа подготовки космонавтов для экспедиции на Луну была утверждена в марте 1968 года. По этой программе готовилось восемнадцать человек. Намечалось осуществить первые полеты лунного корабля по орбите вокруг Земли во второй половине 1969 года, а экспедицию на Луну - в 1970-71 годах. Но после первой экспедиции американских астронавтов на Луну руководство СССР приняло решение о продолжении ее исследований лишь беспилотными аппаратами.

Луна - ближайшее к нам небесное тело, природный спутник Земли. Как всякий спутник планеты, Луна описывает относительно тяготеющего центра (в данном случае, Земли) эллипс. Земля находится в одном из фокусов этого эллипса. Расстояние между центрами Луны и Земли изменяется в пределах от 356 до 406 тыс. км, а среднее расстояние составляет 384400 км. Орбита Луны наклонена к земной орбите на 5o9'.



Луна обращена к Земле всегда одним и тем же полушарием. Это связано с тем, что период вращения Луны вокруг своей оси и период обращения ее вокруг Земли одинаковы. Но вследствие наклона орбиты Луны к плоскости земной орбиты она периодически поднимается выше или опускается ниже этой плоскости. Кроме того, видимое полушарие Луны смотрит точно в центр эллипса лунной орбиты. Так как Земля находится не в центре, а в фокусе эллипса, то вследствие этого Луна, облетая Землю, как бы покачивается в пространстве. Это покачивание называется либрацией. Благодаря наклону орбиты Луны и ее либрации невидимая часть поверхности Луны составляет меньше половины всей ее поверхности.

Из повседневного опыта известно, что вид Луны изо дня в день меняется: от полного диска до узкого серпа и наоборот. Видимые формы Луны соответствуют ряду так называемых фаз. К их числу относятся: новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть (рис. 25). Когда Луна находится между Землей и Солнцем, она восходит и заходит вместе с Солнцем и, двигаясь по ярко освещенному дневному небу, обращена к нам неосвещенной стороной. Это фаза новолуния, или "рождения", Луны. В это время она не видна. Через двое суток после новолуния вечерами на заре Луна показывается на короткое время в виде тонкого серпика, обращенного выпуклостью к Солнцу. Через семь с небольшим суток освещается уже половина диска Луны. Это - первая четверть. В это время Луна восходит около полудня и к 18 часам достигает наивысшего положения на небе в южной стороне небосклона.



На пятнадцатые сутки после новолуния наступает полнолуние. В эту фазу Луна видна в форме полного диска, она восходит с вечера и бывает выше всего на небе около полуночи. После полнолуния освещенная часть Луны начинает убывать. В начале двадцать третьих суток становится видимой только половина диска: наблюдается последняя четверть. В этот период Луна восходит в полночь и хорошо видна по утрам. А через неделю опять наступает новолуние. Период полной смены лунных фаз, т.е. время между двумя одинаковыми фазами называется синодическим месяцем. В среднем он равен 29,53 суток.

При наблюдениях за движением Луны среди созвездий замечается, что она приходит в одно и то же место за время, меньшее синодического месяца: оно составляет 27,32 суток. Это время называется сидерическим (звездным) месяцем. За сидерический месяц Луна делает полный оборот вокруг Земли и одновременно - оборот вокруг своей оси по отношению к Солнцу. В новолуние когда Луна находится между Землей и Солнцем, она повернута к Солнцу стороной, не видимой с Земли. В полнолуние Земля находится между Луной и Солнцем. В это время к Солнцу повернута сторона Луны, видимая с Земли.



Особый интерес представляют случаи, когда Солнце, Земля и Луна занимают в пространстве положения, при которых тень отбрасывается Луной, падает на поверхность Земли, или при которых тень, отбрасываемая Землей, падает на поверхность Луны (рис. 2.25). В первом случае говорят о солнечном затмении, во втором - о лунном.

Длительность полных солнечных затмений не превышает 7,5 мин, частичных (большой фазы) - двух часов. Лунная тень скользит по Земле со скоростью около 1 км/с, пробегая расстояние до 15 тыс. км. Ее диаметр составляет 270 км и определяет максимальную ширину области полного солнечного затмения.



Полные лунные затмения могут длиться до 1 часа 45 мин. Затмения повторяются в определенной последовательности через период времени в 6585 1/3 суток. Ежегодно бывает не более семи затмений, из них не более трех - лунные.

При взгляде на Луну видно, что ее поверхность складывается из череды светлых и темных пятен (рис. 27). Темные пятна - это большие низменные равнины. Их называют морями. Светлые области, получившие название материков, представляют собой гористые участки. В подавляющем большинстве лунные горы имеют кольцевые формы. Многие из них называют кратерами, а самые большие - цирками. На карте Луны обозначены Океан Бурь, Море Дождей, Море Ясности, Море Изобилия, кратеры Коперника, Кеплера, Ньютона и т.д.



На Луне нет воды и даже ее паров. Луна не обладает сколько-нибудь значительной атмосферой. Вследствие этого ее поверхность не защищена от солнечных и космических лучей, от бомбардировки метеоритами. Поверхность Луны на экваторе при максимальном подъеме Солнца нагревается до 130oС, а после его захода опускается до -170oС. Небо над Луной совершенно черное, и на нем одновременно можно видеть и звезды, и Солнце.

Близость Луны к Земле, возможность путем исследования ее физических условий, рельефа, состава и свойств грунта расширить наши знания о Солнечной системе сделали Луну важнейшим объектом космических исследований.



2 января 1959 г. в сторону Луны стартовала первая советская автоматическая станция "Луна-1". В последующие годы на Луну были запущены десятки космических аппаратов, и полет каждого из них приносил новые знания о Луне, позволял продвинуться в изучении ее природы.

В частности, было установлено, что Луна не имеет магнитного поля. Подробно был исследован доставленный на Землю лунный грунт. Он представляет разнозернистый порошок, который легко слипается в отдельные рыхлые комки. Он напоминает влажный песок или комковатую структуру земных почв и существенно отличается от земной пыли. Лунный грунт имеет темно-серый или черноватый цвет, но в зависимости от угла зрения у него возникают зеленоватые, красно-бурые и другие оттенки.



В лунном грунте обнаружены шарики, представляющие собой застывшие капли. Некоторые из них являются прозрачными, другие мутноватыми. У лунного вещества оказалась чрезвычайно низкая теплопроводность: даже самые хорошие теплоизоляционные материалы на Земле передают тепло лучше, чем лунный грунт.

Образцы лунного грунта (доставленные из Моря Изобилия) содержат около 70 химических элементов и изотопов: кремний, титан, алюминий, железо, магний, торий, уран, цирконий и др. Их изучение позволило сделать выводы о типе лунных пород и об их происхождении. Возраст образцов, доставленных на Землю, оценен в диапазоне от 3 до 4,6 млрд. лет. Это подтверждает гипотезу о том, что Луна и Земля образовались примерно в одно и то же время.



10 ноября 1970 г. с Земли стартовала автоматическая станция "Луна-17", доставившая на поверхность нашего естественного спутника самоходный аппарат "Луноход-1". Первая в мире передвижная лунная лаборатория была оснащена комплексом новейшей научной аппаратуры. Она проработала на поверхности Луны десять с половиной месяцев. За это время "Луноход-1" прошел 10,5 км, была обследована поверхность типичного лунного "моря" - Моря Дождей площадью 80 тыс. м2. На Землю было передано более 200 панорамных и свыше 20 тыс. обычных фотоснимков лунных пейзажей. Более чем в 500 точках по трассе движения "Лунохода-1" изучались физико-механические свойства поверхностного слоя грунта. В 25 точках были проведены анализы химического состава лунных пород. Неоднократно проводились измерения космического рентгеновского излучения и радиационной обстановки.

Кроме Луны из всех окружающих Землю небесных тел наибольший интерес представляет, конечно же, Солнце - основной источник энергии для всего живого на нашей планете. Энергия Солнца огромна. Даже та ничтожная ее доля, которая попадает на Землю, очень велика: Земля получает от Солнца в десятки тысяч раз больше энергии, чем могли бы выработать все электростанции мира, если бы они работали на полную мощность.

С Земли Солнце кажется сравнительно небольшим, но его диаметр более чем в сто раз превышает диаметр Земли. Солнце вращается вокруг своей оси, совершая полный оборот примерно за 27 суток. Но на разных широтах угловая скорость солнечного вещества различна: вблизи экватора - она больше, у полюсов - меньше.




рис 2.28. Ядерные реакции на солнце

Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а объем - в 1,3 млн. раз. Вещество Солнца в среднем в полтора раза плотнее воды, но внутри его оно в десять раз плотнее свинца. Зато наружные слои Солнца разреженнее воздуха у поверхности Земли в сотни раз.



Солнце состоит в основном из тех же химических элементов, что и Земля, но больше всего на Солнце водорода. Именно водород является "топливом" непрерывной череды происходящих в нем ядерных реакций. За время своего существования, т.е. за 4-5 млрд. лет, Солнце не израсходовало и половины своих энергетических запасов, хотя его излучение было всегда примерно такое же, как теперь. Очевидно, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий, оно так и будет излучать. А это может продлиться многие миллиарды лет.

Давление вещества в недрах Солнца в сотни миллиардов раз больше, чем воздуха у поверхности Земли. При таком огромном давлении его температура превышает 10 МК (мегакельвинов). Поэтому вещество Солнца находится в газообразном состоянии. Все его атомы полностью лишены электронов и превратились в "голые" атомные ядра. Электроны, оторвавшиеся от атомов и ставшие свободными, превратились в одну из составных частей газа. Такой газ называется плазмой.*



Частицы плазмы, нагретой до 10 МК, движутся с огромными скоростями - в сотни и тысячи километров в секунду ! Из-за большого давления частицы сближаются так, что отдельные ядра даже проникают друг в друга. При этом происходят ядерные реакции, при которых водород превращается в гелий и освобождается колоссальное количество энергии (рис. 28). Благодаря огромным размерам Солнца оно является ее неиссякаемым источником.

Солнечная атмосфера состоит из нескольких слоев: фотосферы* , хромосферы* и короны. Фотосфера* - самый глубокий и самый тонкий слой солнечной атмосферы. Здесь возникает основное излучение, посылаемое Солнцем в мировое пространство.



Толщина фотосферы 200-300 км. Хромосфера* - представляет собой слой раскаленных газов толщиной 10-20 тыс. км. Ее температура - нескольких десятков тысяч кельвинов. Над хромосферой расположена солнечная корона. Вследствие большой разреженности содержащихся в ней газов она достаточно прозрачна. Ее частицы движутся с скоростями в сотни и тысячи километров в секунду. Температура короны более 1 МК, но количество излучаемого ею света ничтожно.

Хромосферу и корону можно видеть во время полного солнечного затмения. Когда Луна закрывает ослепительно яркую фотосферу целиком, то вокруг диска Луны, который при этом кажется абсолютно черным, видно серебристо-жемчужное сияние в виде венца, а непосредственно вокруг диска Луны - блестящая тонкая розовая кайма. Иногда сияние дополняют длинные лучи. Розовая кайма - это хромосфера, а сияние и лучи - солнечная корона.



Наблюдения за фотосферой показывают, что в ней достаточно регулярно возникают маленькие черные точки. За несколько дней они превращаются в крупные темные образования. Это - так называемые солнечные пятна. Обычно они окружены менее темной полутенью, состоящей из радиально вытянутых прожилок. Пятна кажутся как бы "дырками" на поверхности Солнца.

Солнечные пятна свидетельствуют о возникновении активной области. Непосредственно перед возникновением пятен на небольших участках фотосферы появляются яркие области - факелы. Лучше всего они наблюдаются на краю диска Солнца, а в центральной части солнечного диска почти незаметны. Факелы на несколько сотен кельвинов горячее фотосферы. Атмосфера над факелами также горячее и плотнее. Общее число активных областей регулярно меняется со средним циклом около 11 лет.



Над активными областями хромосферы и короны иногда наблюдаются такие явления, как вспышки и протуберанцы. Вспышки представляют направленный поток быстрых заряженных частиц, образующихся при внезапном сжатии вещества хромосферы вследствие резких изменений магнитных полей. Проходя через корону, этот поток увлекает с собой частицы плазмы и создает мощное излучение, состоящее из радиоволн, рентгеновских, ультрафиолетовых, видимых и космических лучей. Все они оказывают воздействие на земную атмосферу, особенно на ее верхние слои. Первыми достигают Земли ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Под их воздействием увеличивается ионизация ионосферы. В нижних ее слоях начинают поглощаться короткие радиоволны, что приводит к нарушению радиопередач. Но длинные радиоволны начинают отражаться лучше. Поэтому во время вспышек на Солнце обнаруживается улучшение радиопередач на длинных волнах.

Вспышка начинается с того, что на несколько минут в некоторой точке активной области, особенно в лучах, испускаемых атомами водорода и ионами кальция, сильно возрастает яркость. Бывают вспышки, превышающие по яркости ослепительную фотосферу. После вспышки свечение соответсвующей активной области постепенно ослабляется и через нескольких десятков минут активность области уменьшается до обычного уровня.



Поток частиц (корпускул), возникающих при вспышке, достигает Земли примерно через сутки после вспышки. "Продираясь" через солнечную корону, корпускулярный поток вытягивает ее вещество в длинные лучи. Это так называемые протуберанцы. Вблизи Земли поток корпускул встречается с геомагнитным полем. Последнее не пропускает заряженные частицы, но они за счет своей огромной скорости прорывают преграду и как бы вдавливают силовые линии геомагнитного поля. Вследствие этого на Земле происходят так называемые магнитные бури. Последние проявляются в быстрых и неправильных изменениях магнитного поля.

Солнце - лишь одна из бесчисленных звезд, наблюдаемых нами на небосклоне. Изучая Солнце, ученые познают процессы, происходящие и на других звездах, которые из-за удаленности изучать намного сложнее.



В Солнечной системе девять больших планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (рис. 2.29). Как ни странно, некоторые из них были обнаружены сравнительно недавно: Уран - в 1781 году, Нептун - в 1846 году, Плутон - в 1930 году. Все планеты имеют шарообразную форму, не являются самосветящимися телами и видны только потому, что освещены Солнцем. Основные характеристики планет приведены в табл. 2. Остановимся подробнее на двух ближайших к Земле планетах: Венере и Марсу.

Венера - самая близкая к Земле планета Солнечной системы. Ее орбита лежит внутри орбиты Земли. При максимальном сближении Земли и Венеры расстояние между ними составляет 39 млн. км. Период обращения Венеры вокруг Солнца равен 225 земным суткам. По размерам Венера почти такая же, как земной шар: ее средний диаметр равен 12100 км. В телескоп Венера видна как маленький серпик, изменяющий свои фазы.



Рис. 2.29. Планеты Солнечной системы

Поверхность планеты всегда скрыта облаками, которые плавают в атмосфере, обнаруженной еще М.В.Ломоносовым* . Атмосфера Венеры по химическому составу существенно отличается от земной и совершенно непригодна для дыхания. Она на 97% состоит из углекислого газа, 2% приходится на долю азота, а кислорода в ней - не более 0,1% (в атмосфере Земли этих газов содержится соответственно 0,03%, 78% и 21%).

Изучение атмосферы Венеры и проведение измерений непосредственно на ее поверхности впервые осуществила в 1970 году советская автоматическая станция "Венера-7". Согласно данным, полученным с этой станции, температура окружающей среды по мере снижения постепенно возрастала и на поверхности составила 475oС при давлении 90 атм.



По данным наземных радиастрономических измерений, температуры ночного и дневного полушарий Венеры почти одинаковы. Неожиданным оказалось отсутствие значительной разницы в температуре поверхности экваториальных и полярных областей. Причиной этого могут быть интенсивные процессы переноса тепла в толстой и плотной атмосфере. Температура облачного покрова значительно ниже температуры окружающей среды и составляет около -40oС.

Ось вращения Венеры направлена почти в точности к полюсу орбиты: наклон экватора Венеры к плоскости ее орбиты составляет 2-4o. Суточное вращение Венеры происходит не в прямом, а в обратном направлении, т.е. в направлении, противоположном движению планеты по орбите вокруг Солнца. Солнечные сутки на поверхности Венеры почти в 117 раз длиннее земных.



Другой ближайшей к Земле планетой является Марс. Это - самая последняя из четырех ближайших к Солнцу планет, в какой-то мере похожих на Землю и потому называемых планетами земной группы. Марс значительно меньше Земли. Его диаметр приблизительно 6800 км, масса примерно в 10 раз меньше массы земного шара, ускорение свободно падающей на его поверхности материальной точки в 2,6 раза меньше, чем на Земле.

Марс движется на среднем расстоянии от Солнца 227,8 млн. км и затрачивает на один оборот по орбите 687 земных суток. Такова продолжительность марсианского года, но марсианских дней и ночей в нем содержится 668, так как марсианские сутки (период осевого вращения Марса) приблизительно на 40 мин. длиннее земных. Продолжительность светлого времени дня и полуденная высота Солнца над горизонтом в каждом месте поверхности Марса изменяются на протяжении года примерно так же, как и на Земле. Это является следствием почти одинакового наклона плоскостей экваторов к плоскостям орбит: у Земли угол между ними составляет 23o27', у Марса - около 25o.

Каждые 780 суток Марс приходит в ближайшую к Земле точку своей орбиты. В отличие от Венеры в эти моменты он обращен к Земле своим освещенным, дневным полушарием и виден в направлении, противоположном Солнцу. При этом он бывает столь ярким, что его можно с первого взгляда отличить от других светил по красноватому цвету. Говорят, что в это время он находится в противостоянии.

На Марсе существует газовая оболочка. Об этом свидетельствует наличие облаков и светлой, непрозрачной дымки. В атмосфере Марса обнаружен углекислый газ. По современным оценкам, его количество эквивалентно слою толщиной порядка 80 м при давлении в 1атм. Толщина же марсианской газовой оболочки составляет сотни километров. Среднее давление на поверхности планеты соответствует давлению в земной атмосфере на высоте 40 км.

В атмосфере Марса обнаружен водяной пар. Его количество очень мало и соответствует толщине от 5 до 60 мкм осажденного слоя воды.

На Марсе очень холодно. Даже в тропическом поясе поверхность планеты еще до захода Солнца остывает так, что образуется иней. Ночью там стоит сильный мороз, и только в околополуденное время поверхность нагревается до температур выше 0oС.

К числу наиболее красивых небесных тел принадлежат кометы.** Появление их на небе сразу привлекает к себе всеобщее внимание. Светлые туманные оболочки, окружающие небольшое ядро, длинный хвост, тянущийся иногда на полнеба, быстрое движение среди звезд - все это делает комету непохожей на остальные небесные светила. Необычный вид комет и неожиданность их появления служили в течение многих веков источником всевозможных суеверий.

Ядра комет представляют собой сравнительно небольшие тела, состоящие из замерзших газов, перемешанных с нелетучими каменистыми веществами. В кометных ядрах присутствуют обычный водяной лед, "сухой лед" из твердой углекислоты и многие другие льды. Обычно ядра имеют размеры в поперечнике от нескольких сотен метров до нескольких километров.

Подавляющее большинство комет движется вокруг Солнца по огромным, сильно вытянутым орбитам. Многие из них удаляются от Солнца в сотни и тысячи раз дальше наиболее далеких планет. Один оборот по такой орбите длится многие тысячи лет. Следовательно, кометы, которые наблюдаются в настоящее время, предстают перед глазами ныне живущих ученых впервые - их предыдущие появления были так давно, что о них не упоминается даже в древнейших летописях. Поэтому нет ничего удивительного в том, что астрономы и поныне не могут предсказывать появление большинства комет.

Приближающаяся к Солнцу комета имеет вид слабого туманного круглого пятнышка. Середина его ярче краев, и зачастую там бывает видно звездообразное ядро. Постепенно яркость кометы возрастает, и, наконец, появляется небольшой туманный хвост; он всегда направлен от Солнца. По мере приближения кометы к Солнцу она становится более яркой, а длина хвоста увеличивается и достигает наибольших размеров при прохождении ядра на минимальном расстоянии от Солнца. Когда комета начинает удаляться от Солнца, ее хвост постепенно уменьшается, а она сама снова превращается в слабое туманное пятнышко и, наконец, делается совсем невидимой. У слабых комет хвост иногда вообще не удается заметить.

В марте 1986 года было проведено комплексное исследование ядра кометы* Галлея. В это время комета, появляющаяся вблизи Земли с периодичностью в 75 лет, находилась от нашей планеты на расстоянии порядка 160 млн. км (рис. 30). К ядру кометы подлетели две советские станции "Вега-1", "Вега-2" и аппарат европейского космического агентства "Джотто". Первые подошли к цели путешествия на расстояние 10 тыс. км, а последний - на расстояние 1 тыс. км. На Землю были переданы уникальные фотографии ядра кометы.

В настоящее время исследование околоземного пространства продолжается: более 10 лет работают международные экипажи на российской космической станции "Мир", совершают регулярные полеты в космос американские "челноки" типа "Шаттл", курсирует по поверхности Марса и передает на Землю научную информацию американский марсоход, только что в далекое путешествие к Сатурну отправилась космическая станция США. Но результаты основных научных исследований, планируемых провести с ее помощью мы узнаем уже в следующем тысячелетии - в 2004 году.