Общее представление о Космосе и Солнечной системе

Земля, колыбель человечества и наш общий дом, является частью Вселенной и поэтому испытывает мощное космическое воздействие. Особенно велико влияние на Землю Солнца, происходящих на нем физико-химических процессов и Луны.

Вселенная является иерархической организацией. Космические тела благодаря притяжению образуют системы различной сложности: планеты с их спутниками Солнечная система звездная система Галактика (более 100 млрд звезд) Метагалактика (несколько миллиардов галактик) Вселенная (Космос).

Основным «населением» Вселенной являются, звезды, в которых содержится около 98% космического вещества. Звезды – это огромные раскаленные самосветящиеся газовые шары, состоящие из водорода и частично гелия, которые при высокой температуре находятся в ионизированном состоянии, т. е. в состоянии плазмы. Звезды различны по температуре, размерам, массе, плотности, цвету, светимости, блеску и т. д.

Солнце вместе с другими звездами Галактики обращается вокруг ее центра со скоростью около 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 200 млн лет. Галактический год наиболее крупный цикл космобиоритмики. Его продолжительность более или менее совпадает с периодами между крупными тектоно-магматическими эпохами на Земле. Это косвенно свидетельствует о приливном характере сил, вызывающих деформации земной коры. В разные периоды галактического года Солнечная система может оказываться в разной гравитационной ситуации. Поэтому можно предположить, что на протяжении галактического года могут проявляться своеобразные галактические сезоны. При этом на Земле, по-видимому, происходит перераспределение площади суши и океана, изменение климата, многих форм биоса, т. е. ландшафтной обстановки в целом.

Движение Галактики напоминает движение роя комаров – рой движется в одну сторону, но отдельные насекомые могут хаотично перемещаться внутри его в различных направлениях. Так и Солнечная система – она движется внутри Галактики относительно окружающих ее звезд в направлении созвездия Геркулес со скоростью около 20 км/с.

Все звезды, которые мы наблюдаем невооруженным глазом (их около 3000), принадлежат Галактике. Она сильно сплющена и со стороны должна быть видна в форме двояковыпуклой линзы со спиралевидными ветвями, выходящими из центра. В плоскости наибольшего протяжения и вращения Галактики – галактического экватора скучено максимальное количество звезд. Здесь же, ближе к краю Галактики, расположено и Солнце. Когда мы обозреваем звездное небо, то видим, что звезды расположены неравномерно. Если луч зрения направлен вдоль плоскости галактического экватора, то видно множество звезд, в том числе и далеких, слабо светящихся. Они опоясывают небесную сферу в виде гигантского светлого кольца, которое называется Млечный Путь. Это наша Галактика, видимая с «ребра». Ширина Млечного Пути колеблется от 5 до 30°. Он обладает наибольшей яркостью в созвездии Стрельца. Если же смотреть на небосвод по обе стороны от Млечного Пути, то звезд будет раз в десять меньше и они будут ближе и ярче.

Еще в древности небо было разделено на участки, получившие название созвездий. В них яркие звезды группируются в неповторимые конфигурации, что помогает разыскивать их на небесном своде. Близость звезд в созвездиях – явление кажущееся. Большинство звезд находится весьма далеко друг от друга, но на малых угловых расстояниях. В настоящее время выделено 88 созвездий¹, из них 12 называются зодиакальными: Козерог, Водолей, Рыбы, Овен, Телец, Близнецы, Рак, Лев, Дева, Весы, Скорпион, Стрелец. На их фоне проходит видимое перемещение Солнца в течение года по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой. Оно является отражением годового движения Земли по орбите вокруг Солнца. Частично эклиптика проходит и по созвездию Змееносец, которое официально не причислено к зодиакальным (рис. 1).

В состав Солнечной системы входят Солнце, 9 больших планет, более 60 спутников планет, малые планеты – астероиды, кометы, метеоры и метеорные потоки, космическая пыль. За размеры Солнечной системы условно принимают орбиту Плутона, который находится от Солнца на расстоянии 5,9 млрд км (почти в 40 раз дальше, чем Земля). Солнечная система чрезвычайно уединена в пространстве. Если условно принять расстояние от Земли до Солнца за 1 м, то ближайшая к Солнцу звезда Проксима Центавра в этом масштабе будет находиться на расстоянии 272 км!

Рис. 1. Годовое движение Земли вокруг Солнца и положение Солнца в зодиакальных созвездиях

Солнце

Солнце – центр нашей планетной системы, источник жизни на Земле, источник энергии для многих природных процессов, тепла и света. Солнце – рядовая желтая звезда средней величины, вращающаяся вокруг оси. Оно находится от Земли на расстоянии 149,6 млн км (одной астрономической единицы). Диаметр его в 109 раз больше диаметра Земли, масса – в 333 000 раз больше массы Земли, объем – в 1 300 000 раз больше объема Земли, плотность вещества почти в 4 раза меньше плотности Земли, ускорение силы тяжести в 28 раз больше, чем на Земле, температура на его поверхности около 6000 К.

Солнце излучает огромное количество энергии, но Земля, малая пылинка Космоса, получает всего лишь одну двухмиллиардную ее часть. Источником солнечной энергии служат термоядерные реакции превращения водорода в гелий в центральных частях Солнца, где температура превышает 10 млн К. Солнечная радиация представляет собой совокупность корпускулярного и электромагнитного излучения. Корпускулярная составляющая – поток плазмы, состоящий из протонов и электронов (так называемый солнечный ветер) и достигающий через сутки околоземного пространства, почти полностью обтекает магнитосферу Земли. Электромагнитная радиация (лучистая энергия Солнца) проникает в атмосферу и в виде прямой и рассеянной радиации доходит до земной поверхности, обеспечивая постоянство существующей термодинамической обстановки. Поток электромагнитного излучения незначительно меняется в течение года из-за почти круговой орбиты Земли: в январе он на 3–4% больше, нежели в июле. Постоянство термодинамической обстановки на земной поверхности обеспечивает и атмосфера, которая служит фильтром для электромагнитного излучения, а также Мировой океан, являющийся регулятором тепла.

Солнечная активность подвержена циклическим колебаниям: годы «активного Солнца» чередуются с годами «спокойного Солнца». В среднем активность всех процессов на Солнце изменяется- с периодом 11 лет. Но, помимо 11-летних циклов, отмечают 22-летние, вековые – через 80–90 лет и более длительные – через 900 и 1850 лет. Обнаружена корреляция между наиболее изученным 11-летним циклом солнечной активности и многими физико-химическими явлениями, происходящими в магнитосфере (магнитные бури), в верхних слоях атмосферы (полярные сияния), в нижних слоях атмосферы (измене давления, количества осадков, погоды в лом), в литосфере, гидросфере и биосфере. Синхронность проявления гелиофизических и геофизических процессов говорит об их причинно-следственных связях. В частности, механизмы связей между деятельностью Солнца и живой природой были вскрыты в 20-х XX в. А. Л. Чижевским, который заложил фундаментальные основы новой науки – гелиобиологии. В настоящее время взаимосвязи солнечных и земных процессов систематически изучаются не только наземными «службами Солнца», но и с помощью различных в том числе пилотируемых, искусственных спутников Земли.

Планеты

В состав Солнечной «семьи» входят 9 больших планет. Планеты расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (три последние видны только в телескоп). Планеты обладают рядом общих свойств:

а) все они шарообразны, имеют оболочное строение, т. е. состоят из концентрических сфер, различающихся составом и строением вещества;

б) обращаются вокруг Солнца, как и оно, в прямом направлении, т. е. против часовой стрелки для наблюдателя, смотрящего со стороны Северного полюса;

в) в том же направлении происходит и осевое вращение большинства планет (кроме Венеры и Урана);

г) орбиты большинства планет (кроме Меркурия и Плутона) близки по форме к окружностям и лежат примерно в одной плоскости, близкой к плоскости солнечного экватора; расстояния планет от Солнца возрастают в геометрической прогрессии;

д) все планеты светятся отраженным от Солнца светом и перемещаются на фоне созвездий (греч. planetes – блуждающий), в отличие от звезд.

Планеты по размерам, химическому составу, плотности и другим природным свойствам подразделяются на две группы: внутреннюю – планеты земного типа и внешнюю – планеты-гиганты типа Юпитера.

К внутренней группе планет относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс. Все они небольшие по величине и массе твердые тела, состоящие из кремния, железа и других тяжелых элементов. Им свойственна глобальная асимметрия поверхности; они обладают незначительными по массе атмосферами или их отсутствием (Меркурий); все планеты медленно вращаются вокруг оси и поэтому имеют небольшое полярное сжатие, но обладают большой скоростью орбитального движения; они имеют мало спутников, всего три – Луна у Земли, Фобос и Деймос у Марса. Примечательная черта поверхности планет земной группы и их спутников – кольцевые структуры разного размера и происхождения (тектонического, метеоритного). На поверхности Земли кольцевые структуры завуалированы благодаря наличию атмосферы, в которой cгopает большинство космических тел, а также из-за выветривания и энергично протекающих процессов эрозии.

К внешней группе относятся далекие планеты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Все с гиганты, обладающие большими размерами массами, в одном только Юпитере заключи 70% массы всех планет вместе с их спутниками; это холодные тела, ядра их сложены каменным материалом и льдом, а мощные облачные атмосферы состоят из легких замерзших газов (водорода, гелия, аммиака, метана и др.,); они быстро вращаются вокруг оси имеют большое полярное сжатие (самое большое у Сатурна – 1/10), но у них медленное орбитальное движение (у Нептуна – 165 лет). У этих планет много спутников (более 6 причем самый крупный – Ганимед Юпитер (около 5150 км в диаметре) – больше Meркурия (4880 км) по размеру. Невиданный в истории «урожай» спутников (24) дали американские космические аппараты «Вояджер-1», «Вояджер-2» во время исторического двенадцатилетнего странствования (1977–1989 гг.). Кроме того, благодаря этим исследованиям удалось обнаружить, что все планеты-гиганты окружены кольцами, состоящими, в свою очередь, из тысяч отдельных колечек, образованных каменными глыбами, их обломками и пылью.

Рис. 2. Иллюстрации законов Кеплера (заштрихованы равновеликие секторы)

Самая далекая сравнительно недавно открытая (1930 г.) планета Плутон со спутником Харон (точнее, двойная планета Плутон-Харон) еще слабо изучена. О происхождении Плутона существует много версий. Высказывались предположения, что он «оторвавшийся» спутник Нептуна или малая планета типа астероида.

Движение планет. До открытия Н. Коперника (XVI в.) в течение пятнадцати веков господствовала геоцентрическая система мира Клавдия Птолемея, согласно которой в центре мироздания находилась Земля, а Солнце и планеты вращались вокруг нее. Гениальная мысль греческого астронома Аристарха Самосского (III в. до н. э.) о том, что планеты, в том числе и Земля, движутся вокруг Солнца, на 1700 лет предвосхитившего открытие Н. Коперника, игнорировалась. Система Коперника с Солнцем в центре называется гелиоцентрической (греч. helius – Солнце). Согласно учению Н. Коперника (1543 г.), Земля – рядовая планета, движущаяся, наряду с другими планетами, по круговым орбитам вокруг Солнца.

Истинную картину орбит планет и их движений установил австрийский астроном И. Кеплер (XVII в.), который сформулировал законы движения планет.

Первый закон – о форме планетных орбит: все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых, общем для орбит всех планет, находится Солнце. Степень вытянутости эллипса определяется величиной его эксцентриситета, т. е. отношением фокусного расстояния к длине большой полуоси. И хотя эксцентриситеты большинства планет невелики (у Земли = 0,016), из этого закона следует, что расстояние от планет до Солнца в течение года меняется. Так, у Земли оно изменяется от 152 млн км в наиболее далекой точке орбиты – афелии до 147 млн км в ближайшей точке – перигелии.

Второй закон характеризует скорость движения планет по орбитам: радиус-вектор планеты в равные времена описывает равновеликие площади. Следствие из этого закона – изменение скорости движения планет по орбитам. Так, у Земли при средней скорости 29,8 км/с оно изменяется от 30,3 км/с близ перигелия до 29,3 км/с близ афелия (рис. 2). Все это сказывается на продолжительности дней и ночей и термических особенностях северного и южного полушарий. В северном полушарии полярный день на полюсе на неделю длиннее полярной ночи, а лето длиннее зимы. В целом же северное полушарие Земли летом из-за более продолжительного освещения получает больше солнечной радиации, несмотря на удаленность от Солнца, и находится в более выгодных тепловых условиях, чем южное.

Законы Кеплера дают геометрию, но не вскрывают причины движения планет. Используя законы Кеплера, опираясь на общие законы движения тел (законы динамики), И. Ньютон доказал, что движение планет подчиняется силе притяжения, которая пропорциональна массам взаимодействующих тел (Солнца и планеты) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Итак, основная сила, управляющая движением тел Солнечной системы, – притяжение Солнца. Планеты, в свою очередь, вызывают ускорение в движении спутников. Хотя взаимное притяжение планет друг к другу невелико, но оно вызывает отклонения в движении планет – так называемые возмущения. Так как притяжение зависит от массы тела и расстояния между ними, то наибольшие возмущения на Земле вызывают крупные планеты (Юпитер) и особенно близко расположенные тела (Луна). Сейчас в связи с запуском к планетам и их спутникам космических аппаратов строго учитываются особенности движения и силы гравитации планет и их спутников.