Вбезграничных просторах вселенной затерялась маленькая звездочка, вокруг которой по орбитам движутся девять планет. Все эти планеты различны, но по своим физическим характеристикам они делятся на две группы - планеты земной группы и планеты-гиганты.
К планетам земной группы относятся четыре планеты: Меркурий, Венера, Марс и естественно сама Земля. Меркурий, Венера и Марс очень похожи на Землю. У всех примерно одинаковые размеры, довольно большая плотность, все они вероятно, состоят из камня и железа. Благодаря сходству с Землей они, а также Плутон, который по ряду физических характеристик близок к Земле, называются планетами земной группы.
Меркурий
Меркурий - четвертая по яркости планете, в максимуме блеска он сияет почти как Сириус и уступает только Венере, Марсу и Юпитеру.
Орбита
Меркурий движется по своей орбите с головокружительной скоростью 48 километров в секунду, причем он всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, и следовательно, период вращения вокруг оси и период обращения вокруг Солнца совпадают и равны 88 суток.
Вращение
Однако один оборот вокруг своей оси — или один день — длится почти 59 земных дней.
Температура
Температуры на поверхности близки к температурам, которые достигались бы на Луне, если бы она двигалась по близкой к Солнцу орбите. За очень долгие ночи температура падает до минимального значения около - 173С, а за столь же долгие дни поднимается вблизи подсолнечной точки до максимального значения + 430С. Таким образом, типичные суточные вариации составляют около 600С!.
Атмосфера
На Меркурии нет того, что мы привыкли называть атмосферой — газовой оболочки, образующей облака, определяющей климат и защищающей поверхность планеты от некоторых вредных видов солнечного излучения. Из-за слабого магнитного поля Меркурия притяжение заряженных частиц Солнца едва различимо.
Геология
Когда зонд Mariner 10 приближался к планете в 1974 и 1975 годах, было получено большое количество информации об этой планете. Мы узнали, что магнитное поле на Меркурии очень слабое, что может указывать на наличие горячего металлического ядра, например, из расплавленного железа. Геологи полагают, что из всех планет Солнечной системы на Меркурии может содержаться больше всего железа. Кора Меркурия, вероятно, состоит из кремния, как и земная кора.
Описание характерных черт поверхности Меркурия было бы почти полным повторением описания лунной поверхности. Сравнение снимков Меркурия, переданных “Маринером-10”, с изображениями Луны свидетельствуют об их сильном сходстве. Отсюда можно сделать вывод, что Меркурий покрыт тонким слоем грунта, уплотняющего с глубиной, как и должно быть на небесном объекте, лишенном атмосферы, верхние слои которого подвержены бомбардировке с образованием ударных кратеров в течении трех-четырех млрд. лет. Различия между Меркурием и Луной, хотя и невелики, но представляют определенный интерес. Горы на Меркурии не так высоки. Меркурианские “морские” районы представляют собой котловины, окруженные равнинами, с меньшей плотностью кратеров, чем на Луне. С другой стороны, лучи, исходящие из молодых кратеров и никогда не видимые с Земли, более контрастны, чем на Луне. Повышенное содержание железа в недрах Меркурия может проявляться на поверхности в виде обогощенного железом и титаном вулканического стекла, это уменьшает различие химического состава между областями, сильно покрытыми кратерами (подобными лунным материкам), и морями. Многим большим кратерам на Меркурии даны имена знаменитых писателей, художников и композиторов, например Гомер, Шекспир, Толстой, Роден, Тициан, Ренуар, Бах. Наибольший из них диаметром 625 км носит имя Бетховена.
Менее выраженный рельеф на Меркурии по сравнению с Луной, вероятно, объясняется большей силой тяжести на планете (в 2,5 раза), а также тем обстоятельством, что основной период образования кратеров пришел на время, когда Меркурий был более пластичным. Во всяком случае меркурианские кратеры отличаются от лунных в том отношении, что вторичные кратеры расположены ближе к центральному кратеру, но диапозон их диаметров меньше. Из-за отсутствия воды и слабой атмосферы на поверхности Меркурия почти не было эрозии. После окончания образования Солнечной системы и до настоящего времени поверхность Меркурия почти не изменилась.
Венера
Венеру называют вечерней и утренней звездой, древние греки называли ее Геспером и Фосфором. Это самый яркий объект на небе после Солнца и Луны, причем Венера является ближайшей к нам планетой в Солнечной системе.Она часто видна даже днем, а ночью предметы в ее тени могут отбрасывать тени.
Орбита
Свой полный оборот вокруг Солнца Венера совершает за 440 суток.
Вращение
Полученные для Венеры результаты сначала показались невероятными, оказывается направление вращения оказалось обратным. В любом случае меленное обратное вращение Венеры твердо установлено и впредь теории эволюции планет должны объяснять эту аномалию в планетных движениях. Венерианские солнечные сутки равны 117 земным суткам.
Температура
Оказывается, Венера - очень горячая! Измерения температуры верхней части облаков в ифракрасных лучах показали, что там холодно, около - 38С, как на освещенной Солнцем, так и на ночной стороне. Такую же температуру имеют границы высоких земных облаков. Но результаты радиоизмерений выглядели просто невероятными: на очень коротких волнах 3 мм температура оказалась даже выше, чем по данным измерений в инфракрасном диапазоне. На длинах волн 2 см и более температура достигла чудовищного значения - выше 310С.
Температура поверхности Венеры равна 467С с точностью около 10С; она мало меняется ото дня к ночи и очень быстро падает в атмосфере с высотой.
Такая высокая температура на поверхности и высокое содержание углекислого газа в атмосфере вполне закономерны. Углекислый газ очень прозрачен для всех видимых лучей, а также для ультрафиолетовых лучей, однако он исключительно сильно поглощает тепловое (далекое инфракрасное) излучение. Отсюда следует, что мощным фактором нагревания поверхности Венеры должен быть парниковый эффект. Значительное количество солнечной энергии может поступать в форме видимого света, тогда излучение от нагретой поверхности будет поглощаться углекислым газом.
С помощью такого же процесса регулируется температура земной поверхности.
Атмосфера
В отличии от Меркурия на Венера имеется атмосфера.
Вызывает удивление не только протяженность, но и необычный химический состав атмосферы. При неоднократных наблюдениях с наземными спектрографами не удалось найти никаких признаков водяного пара на Венере или заметить линии и полосы, которые принадлежат воде. Входе космических полетов к Венере было подтверждено присутствие в ее атмосфере огромных количеств углекислого газа.
В земную атмосферу кислород поступает вследствии диссоциации молекул воды под действием ультрафиолетового излучения, причем водород, атомная масса которого мала, уходит в космическое пространство. Таким образом, из-за отсутствия воды на Венере ее атмосфера практически лишена кислорода, что согласуется с наблюдениями.
Геология
В 1980 г. космический аппарат “Пионер-Венера” с радиолокатором на борту был выведен на орбиту вокруг Венеры и позволил заглянуть сквозь ее облачный покров, сделав первый реальный обзор поверхности нашей космической сестры. Оказалось, что на Венере имеются горные области подобные земным континентам. Низменности, соответствующие океанским бассейнам на Земле, занимают только шестую часть поверхности планеты против двух третей на Земле. Венерианские вулканы так же, как их земные двойники, поднимаются на 4000 м, но занимают несравненно большую площадь.
Два “континента” Венеры: земля Афродиты и земля Иштар сравнимы по площади с континентальной частью США. Большая часть планеты представляет собой холмистую равнину с некоторым числом значительных кратероподобных образований, возможно, вулканов. Земля Иштар, хотя и несколько меньше земли Афродиты, выделяется горами Максвелла - массивом, который возвышается над средним уровнем почти на 11 км, т.е. более чем на 2 км превосходит высочайшую вершину Земли Эверест. Эта горная область - наиболее пересеченная на Венере - хорошо обнаруживается при радиолокации с Земли, несмотря на высокую широту, где только очень сильно пересеченная местность может создавать обратное отражение. Земля Иштар, расположенная западнее гор Максвелла, вдвое больше Тибетского нагорья и лежит на большей высоте. Она, по видимому, относительно гладкая и, возможно, покрыта недавно изверженной лавой.
Земля Афродиты примечательна двумя протяженными рифтовыми долинами, протирающимися на ее восточном краю на 2200 км. Чрезвычайно сильно пересеченные горные зоны очерчивают северо-восточную и северо-западную границы земли Афродиты. Западная гряда самая высокая и величественно возвышается на 7 км над соседней равниной и почти на 8 км над средним уровнем.
Итак, многие топографические особенности поверхности Венеры аналогичны земным, что указывает на “геологическую” активность планеты.
Уровень радиоактивности, измеренный “Венерой”-9 и 10”, сравним с радиоактивность базальтовых пород, а “Венерой-8” - с радиоактивностью гранитов. По измерениям “ Венеры-10” плотность пород на глубине нескольких десятков сантиметров равна 2,7 0,1 г/см3, что значительно меньше средней плотности Венеры (5,25 г/см3). Это значение типично для базальтов.
На поверхности планеты видны следы эрозии и выветривания пород. Не найдено каких-либо признаков переноса вещества ветром, да и вряд ли этого можно ожидать, поскольку вблизи поверхности ветры очень слабы: до высот несколько километров скорость ветра составляет 0,3 - 1,4 м/с. На высотах от 10 до 50 км ветры усиливаются от 50 до 60 м/с; это значение типично и для гораздо больших высот. Не известно, происходит ли какое-либо химическое выветривание. Возможно, главными причинами разрушения горных пород служат вулканическая и сейсмическая активность.
Земля
Земля кажется нам такой огромной, такой надежной и так много значит для нас, что мы не замечаем ее второстепенного положения в семье планет. Единственное слабое утешение состоит в том, что Земля - наибольшая из планет земной группы. К тому же она обладает атмосферой средней мощности, значительная часть земной поверхности покрыта тонким неоднородным слоем воды, а вокруг нее обращается величественный спутник, диаметр которого равен четверти земного диаметра. Однако этих аргументов вряд ли достаточно для того, чтобы поддерживать наше космическое самомнение. Крошечная по астрономическим масштабам, Земля - это наша родная планеты, причем единственная из планет Солнечной системы на которой наблюдается жизнь, и поэтому она заслуживает самого тщательного изучения.
Орбита
Земля движется со скоростью около 30 км/с вокруг Солнца по эллиптической орбите, мало отличающейся от окружности. Одно из доказательств обращения Земли вокруг Солнца - кажущееся смещение ближайших к нам звезд. При движении Земли вокруг Солнца ось ее остается параллельной самой себе.
Вращение
Ось вращения Земли не перпендикулярна эклиптике - плоскости земной орбиты, поэтому экватор наклонен к плоскости эклиптики на 23,5. Свой полный оборот вокруг оси Земля совершает за 24 часа.
Температура
При движении Земли вокруг Солнца направление ее оси вращения остается неизменным в пространстве. Когда северный полюс обращен в сторону Солнца (положение а), северное полушарие получает больше солнечного света, чем южное. Полюс освещается круглосуточно (полярный день), долгота дня всюду к северу от экватора больше, чем на тех же широтах в южном полушарии. К тому же солнечные лучи падают почти перпендикулярно поверхности, так что данная область получает больше тепла и света в дневное время при большей продолжительности дня.
Через четверть периода обращения вокруг Солнца (спустя 3 месяца) Земля переместится в положение б: здесь долгота дня и ночи будет одинакова на всем земном шаре. Через половину периода (6 месяцев) южное полушарие будет нагреваться, а северное - остывать, причем на северном полюсе будет полярная ночь.
Самое теплое время года не совпадает с моментом наибольшей долготы дня и максимального освещения поверхности солнечными лучами. В северном умеренном поясе максимум солнечного освещения приходится на 21 июня (положение а) , а середина лета - время наибольших температур, наступает позднее, в июле или ближе к 1 августа. Точно так же отстают и другие сезоны. Такое запаздывание происходит потому, что поверхность Земли (самый верхний слой толщиной несколько метров и атмосфера) постепенно нагревается, по мере того как количество, получаемого от Солнца, возрастает. Температура продолжает повышаться, поскольку поступает много тепла, даже когда поток начинает понемногу ослабевать, и так продолжается до тех пор, пока скорости поступления и потерь тепла не сравняются
Интересно отметить, что Земля проходит через перигелий (ближайшую к Солнцу точку своей орбиты) в середины зимы в северном полушарии и через афелий (наиболее удаленную от Солнца точку своей орбиты) в середине лета. Казалось бы, вследствии этого сезонные различия в северном полушарии должны слегка смягчиться, а в южном полушарии диапазон температур должен быть более резко выражен. В действительноси сезонные колебания температуры в южном полушарии меньше, чем в северном. Дело в том, что океаны оказывают заметное влияние на изменения температуры атмосферы, уменьшая их, а отношение площади поверхности, покрытой водой, к площади суши в южном полушарии значительно больше, чем в северном.
Температура воздуха быстро падает с высотой в области толщиной несколько километров. Температурный минимум наблюдается в стратосфере на высоте примерно 17 км, а максимум - около 50 км, где почти достигается поверхностная температура. Выше 300 км наблюдаются лишь следы атмосферы, нагреваемые солнечным ультрафиолетовым излучением и частицами высокой энергии до температуры примерно 1500С.
Бурение глубоких скважин показывает, что температура в общем растет с глубиной со средней скоростью 1 на каждые 50 м, хотя ее значение очень сильно меняется от места к месту. Если бы такой рост температуры продолжался до центра Земли, то температура там достигла бы весьма высокого значения 130 000С. Однако согласно геофизическим исследованиям, она значительно ниже и равна приблизительно 6000С. Радиоактивные элементы, такие, как уран и торий, ныне сосредоточенные, по-видимому, в основном в земной коре, дополнительно нагревают внешние слои.
Атмосфера
Земная атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании температуры в допустимых пределах. Она действует как одеяло, не допуская слишком сильного повышения температуры днем и чрезмерного понижения температуры ночью. Подобно стеклу, которое, пропуская видимый свет Солнца в оранжерею и препятствую выходу теплового, или далекого инфракрасного, излучения наружу, позволяет поддерживать в оранжерее более высокую температуру, чем снаружи, атмосфера поддерживает тепловой баланс у поверхности Земли.
В космическом пространстве, вне земной атмосферы и далеко за ее пределами температура в тени приближается к абсолютному нулю. Ясно, что терморегулирующая атмосфера необходима для существования любой активной формы жизни.
Атмосфера защищает нас не только от мелких метеоров, но и от смертоносной космической радиации. Под действием солнечных лучей в атмосфере образуется озон (молекула которого состоит из трех атомов кислорода); он образует защитный слой от более коротковолнового излучения в дальней ультрафиолетовой области, представляющего опасность для всего живого. Кислород, азот и другие химические элементы, входящие в состав атмосферы, поглощают все излучение в далекой ультрафиолетовой области ниже предела поглощения озона.
Атмосфера задерживает также многие частицы, опасные для жизни. Эти частицы с отрицательным и положительным зарядами приходят как от Солнца, так и от межзвездного пространства.
Химический состав воздуха
Компонент
Содержание по объему,
%
Азот
Кислород
Аргон
Углекислый газ
Неон
Гелий
Метан
Криптон
Сернистый газ
Водород
Водяной пар
78,08
20,95
0,93
0,03
0,0018
0,0005
0,0002
0,0001
0,0001
0,0005
0,2 - 0,4
Геология
Разумеется, внутреннее строение Земли изучать гораздо сложнее, чем атмосферу, но разработаны достаточно эффективные методы, позволяющие заглянуть в земные недра.
По астрономическим данным определена средняя плотность Земли (5,52 г/см3) и форма ее поверхности; притяжение экваториального вздутия и известная плотность горных пород дают согласующиеся между собой значения плотности слоев, прилегающих к поверхности: 2,6 г/см3, т.к. вдвое меньше плотности нашей планеты.
Толщина земной коры меняется от места к месту, но, по-видимому, толщина материковой коры составляет около 40 км, а океанической коры на некоторых участках - всего лишь 6 км. Кора, вероятно, плавает на подверженном деформациям, но исключительно вязком слое - астеносфере - толщина 100-600 км. Это часть земной мантии, которая простирается от нижней границы коры до верхней границы внешнего ядра. Образование гор и протяженных деформаций коры ясно показывает, что кора подвержена движениям, которые были бы невозможны, если бы не было подстилающего слоя псевдожидкого вещества, вызывающего эти явления.
Геологические данные двух типов: климатические изменения за последние 500 млн. лет и следы древних магнитных полей, сохранившихся в древних осадочных породах и лавах, - указывают на то, что тонкая земная кора скользила по лежащим под нею слоям подобно скорлупе яйца. Это движение напоминает классический способ, позволяющий отличить сырое яйцо от сваренного вкрутую, не разбивая скорлупы. Если вращающееся сырое яйцо остановить и внезапно отпустить, то оно снова начнет вращаться. Северный полюс, возможно, располагался когда-то в Тихом океане. Земные полюса испытывают колебательное движение, возможно, периодическое, амплитудой несколько метров. Это следует из наблюдений изменений широты в различных точках земного шара.
Дрейф континентов относительно друг друга больше не вызывает сомнений. На рисунке 2 иллюстрируется, как из единого континента образовались современные континенты в соответствием с теорией, выдвинутой Альфредом Вегенером в 1924 г. Континенты отделились от общего сверхконтинента Пангеи около 200 млн. лет назад. Он довольно быстро распался, всего примерно за 20 млн. лет, при этом образовались Лавразия, к которой принадлежала также Северная Америка и Гондвана. К этому времени от Гондваны отделились Антарктида, Австралия и Индия. Южная Америка отделилась от Южной Африки несколько позже, так что Атлантическому океану всего лишь 160 млн. лет!
Современные представления о распаде Пангеи, основанные на значительно уточненных данных о возрасте горных пород, отличаются от первоначальных идей Вегнера главным образом тем, что первый большой рифт, вероятнее всего, возник вдоль кривой, лежащей между Северной и Южной Америкой и между Азией и Африкой, а не между Америками и Евразией и Африкой. Индия, очевидно, отделилась от Австралии, столкнулись с Азией и таким путем образовались Гималаи.
По астрономическим масштабам времени на земной поверхности царит суматоха. Понемногу ученые начинают регистрировать медленные движения континентов. При помощи лазерных сигналов, отраженных от искусственных спутников, космических зондов и Луны межконтинентальные расстояния будут измерены с точностью до нескольких сантиметров раньше, чем можно было ожидать. В результате наблюдений искусственных спутников ошибки в измерении расстояний уже уменьшены от ста метров до менее одного метра.
Марс
По-видимому, вторым небесным телом, поверхности которого коснется нога человека, станет именно Марс. Он больше других планет похож на нашу Землю. Наличие атмосферы и источников воды, сравнительно умеренные температуры, близкая к земной сила тяжести, разнообразие минералов - таковы главные черты этого сходства.
Орбита
Экватор Марса, как и Земли, наклонен к плоскости орбиты на угол около 24, причем направление оси вращения в пространстве остается ниизменным. Поэтому во время великих противостояний мы всегда видим одно и то же полушарие. Волею случая лучше наблюдается южная полярная шапка, северная полярная шапка видна с Земли в менее благоприятных противостояниях.
Вращение
Марс совершает полный оборот вокруг своей оси за 24 часа 37,4 минуты, т.е. марсианские солнечные сутки (от полудня до полудня) почти на 40 минут длиннее земных.
Температура
Температура поверхности Марса была довольно хорошо определена по наземным наблюдениям в инфракрасных лучах, правда, значение в самый полдень было несколько завышено. Распределение температуры по поверхности было найдено по измерениям с орбитального модуля “Викинга-1”. Максимальная температура -33С достигается вблизи подсолнечной точки. На утреннем терминаторе она равна -120С. Самая низкая температура -139С наблюдается близ южного полюса, где может конденсироваться углекислый газ. Максимальная температура, измеренная в месте посадки “Викинга-1”, равна -28С, хотя в некоторых экваториальных районах в подсолнечной точке бывает и более высокая температура. Температура на высоту 40 км опускается до -130С и сохраняется около этого значения на больших высотах. В так называемых оазисах в районах озера Феникс и земли Ноя перепад температур составляет от -53С до +22С летом и от -103С до -43С зимой.
Атмосфера
Атмосфера Марса, подобно венерианской, в основном состоит из углекислого газа (0,95 по объему), азота (0,027), аргона (0,016) и кислорода (0,02). Хотя отношение содержаний углекислого газа и азота очень сходно с отношением для Венеры, относительное содержание аргона гораздо выше, но абсолютное значение, вероятно, лежит в пределах всего 0,5-0,05. Большой интерес представляет содержание водяного пара, особенно в связи с вопросами о природе облаков и возможного существования жизни на Марсе. Содержание водяного пара сильно меняется. Наибольшее значение, измеренное инфракрасными спектрометрами орбитальных аппаратов “Викинг”, составило 0,10 мм осажденной воды. Это значение зарегестрировано над темной околополярной областью в конце лета, где оставшееся вещество, по-видимому, представляет собой грязный водный лед. С приближением осеннего равноденствия в северном полушарии содержание водяных паров увеличивалось вблизи экватора и к югу от него. Полное количество водяного пара в атмосфере Марса, по-видимому, оставалось постоянным и равным 1,3 км3 воды в течении трех марсианских месяцев наблюдений.
Геология
С геологической точки зрения южное полушарие древнее северного. Но почему северное полушарие помолодело? Причин для этого много. Равнины северного полушария совершенно непохожи на моря видимой стороны Луны. На них находятся самые высокие в солнечной системе пики, громадные щитообразные, почти круговые вулканы типа Мауна-Лоа на Гавайских островах. Район этих больших вулканов называется район Форсида, представляет собой поднятие, возвышающееся на 1,2 км над средним уровнем поверхности, измеренным от центра Марса. С ученом самых глубоких впадин, расположенных на 6 км ниже среднего уровня поверхности, полный перепад высот на Марсе достигает 27 км (на Земле он составляет 19 км, а на Луне и Венере (?) еще меньше). Горное поднятие Фарсида, однако, много меньше экваториального вздутия, обусловленного вращением Марса (около 17 км).
Самые большие вулканы в районе Фарсида затмевают своих земных двойников. Наибольшая из них - гора Олимп вдвое выше горы Эверест.
Помимо гор, вулканов и потоков лавы конвекция в некогда расплавленных недрах Марса породила величественные рифтовые долины, вероятно, родственные большим океаническим рифтам на Земле, которые выходят на сушу в Эфиопии. Один из них - Красное море. Долина Маринера и примыкающее к ней ущелье Копрат лежат немного южнее экватора и образуют большую дугу, почти параллельную экватору, длиной около 4000 км, равной радиусу Марса.
Багряный цвет Марса - цвет окислившегося железа. Так уже давно думали астрономы. Называли и породу, которая должна преобладать в марсианской “почве”, - обычной бурый железняк, или лимонит. Но лишь после посадки “Викинга” отпали последние сомнения: своей окраской планета действительно обязана ржавчине. Возможно, она образовалась в те далекие геологические эпохи, когда на поверхности Марса было много воды.
Постоянные магниты, установленные на посадочных модулях “Викингов”, притягивали марсианскую пыль, поднятую тормозными ракетными двигателями, а также при взятии образцов и разрыхлении грунта. Этот рыхлый марсианский грунт содержит от 1 до 7% высокого магнитного материала. Простейшее объяснение состоит в том, что красный материал содержит маггемит, Fe2O3, имеющий такой же химический состав, как и гематит, но другую кристаллическую структуру.
При исследовании планеты на ее поверхности были обнаружены многочисленные извилистые русла, разветвленные системы притоков и желоба в широких руслах, которые указывают на то, что в прошлом поверхность планеты бороздили мощные потоки воды. Хотя нет свидетельств того, что вода присутствует в современную эпоху, имеются многочисленные признаки наличия мерзлотых образований.