Бесплатный фрагмент - Базовый курс лекций по Солнечной системе для студентов учреждений среднего профессионального образования

Аннотация

Данное методическое пособие содержит основные сведения о планетах и других телах Солнечной системы, известных современной науке, и предназначено для студентов 1 и 2 курсов специальности «Мастер по обработке цифровой информации». Однако создавалось оно в том числе с целью доступно и просто рассказать о Солнечной системе, поэтому автор рекомендует ознакомиться с материалами всех, кого интересует космос, его законы и явления.

Астрономия сыграла важнейшую роль в становлении и развитии человеческой цивилизации. Научившись определять своё положение по звёздам, древние путешественники смогли заселить новые континенты и создать торговые пути, которые использовались не только для обмена ресурсами, но и для создания прочных культурных связей. Уже в наше время астрономические знания помогли людям создать точные эталоны времени и системы GPS/Глонасс. Появление популярного ныне протокола Wi-Fi произошло в одной из радиоастрономических обсерваторий и первоначально использовался он исключительно для нужд науки. Это лишь несколько примеров того, как астрономия коренным образом изменила быт и историю человечества.

Изучение астрономии сегодня полезно как для подготовки молодых специалистов, так и для саморазвития в любом возрасте. Около 4% россиян уже сомневаются в том, какую форму имеет Земля, более 10% уверены, что Солнце вращается вокруг Земли, а не наоборот. Различные псевдорелигиозные учения, вовсю используя термины, позаимствованные из астрономии, могут ввести людей в заблуждение и подчинить граждан влиянию хитрых и алчных лидеров тоталитарных культов. Именно эти тревожные тенденции показывают, насколько актуально изучение астрономии для любого гражданина страны. Наука изучает наш разнообразный мир, и только научный взгляд на него способен придать человеку уверенности и помочь в принятии верных решений.

К читателю

Когда нас просят назвать или записать домашний адрес, мы в первую очередь вспоминаем город или деревню, номер дома и название региона страны, где живём. Но всё это формальное описание местоположения, которое годится для официальных бумаг или заказа товаров в интернет-магазине. А если начать рассуждать, вспоминать и фантазировать, то наш адрес во Вселенной окажется гораздо сложнее, чем тот, что записан в документах. Все известные города, сёла, штаты и государства находятся на планете Земля. Она в свою очередь занимает строго определённое место в Солнечной системе.

Эта система существует более четырёх миллиардов лет и раскинулась в космосе на десятки миллиардов километров. Помимо главного светила, жёлто-оранжевой карликовой звезды, в состав Солнечной системы входят восемь планет, несколько карликовых планет, множество астероидов, кометы, пыль, газ… Интересное соседство, не правда ли? Если на этот вопрос вы ответили «да», то смело продолжайте читать дальше — автор постарается вас не разочаровать.

Данное учебное пособие включает несколько коротких лекций, которые станут либо дополнением к классическим учебникам по астрономии, либо сборником для всех, кто хочет узнать о космосе чуть больше в рамках самообразования. Хотя формально создавалось оно для студентов колледжей, материалы из пособия написаны простым языком и достаточно понятно, чтобы заинтересовать любого — от выпускника девятого класса до пенсионера. Автор в любом случае рассматривает астрономию как увлекательную науку, которую может изучать любой, закончивший обучение в средней школе.

В пособии нет формул или строгих формулировок каких-то важных законов мироздания. Их смысл прекрасен, а значение огромно, но все эти законы подробно описаны в энциклопедиях, справочниках и т. п. Поэтому базовый курс лекций рассчитан как дополнение к уже имеющейся учебной и популярной литературе и охватывает лишь часть тем, изучаемых в колледжах и вузах. Материалы лекций включают основную информацию о телах Солнечной системы с учётом современных данных и новых гипотез, отражают вклад советской и российской науки в изучение уже известных планет и содержат информацию, которая позволит читателям самостоятельно отыскать объекты Солнечной системы на небе (за исключением разве что Луны и Солнца, их очень трудно не заметить…).

Если не указано иное, все текстовые материалы пособия распространяются по лицензии «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0).

Планеты земной группы

В Солнечной системе очень много самых разных объектов: это и планеты, и астероиды, и кометы. Однако астрономы не только могут изучать их, но и классифицируют, то есть делят на группы. Так, отдельно рассматривают планеты земной группы — это Меркурий, Венера, Земля с её спутником Луной и Марс. За ними находятся планеты-гиганты и карликовые планеты, самой знаменитой из которых остаётся Плутон.

Планеты земной группы относят к отдельному классу объектов из-за нескольких общих черт: все они обладают твёрдой поверхностью, имеют примерно одинаковый возраст, химический состав их горных пород также очень похож, а орбиты представляют из себя эллипс (или, как говорят в быту, вытянутый круг). К тому же Меркурий, Венера, Земля, Луна и Марс появились из одного протопланетного облака.

Далее мы поговорим о каждом небесном теле, входящем в группу землеподобных планет Солнечной системы, выделив самые общие характеристики.

Меркурий

Статус: планета

Радиус: 2439 км

Температура на поверхности: от -190° C до +430° C

Среднее расстояние от Солнца: 57,9 млн. км

Первой планетой из этой группы и первой планетой Солнечной системы является Меркурий, названный так по имени древнеримского бога торговли. Он доступен для наблюдения либо в предрассветный час либо некоторое время после заката. Эта планета находится уж слишком близко к Солнцу, так что увидеть её можно только на фоне зари.

Меркурий лишён плотной атмосферы, а значит днём там очень жарко, выше +400° C, а ночью — слишком холодно, около -190° C. Да и местные сутки, то есть время оборота Меркурия вокруг собственной оси, длятся почти 59 земных дней, так что от полудня до полуночи на Меркурии проходит один земной месяц. Примечательно, что меркурианский год при этом длится 88 дней.

Первая планета от Солнца своим ландшафтом напоминает Луну, хотя и темнее её по цвету. Там много кратеров, которые с первого взгляда по строению и форме не всегда можно отличить от лунных. Многие из них получили названия в честь архитекторов, музыкантов, писателей, поэтов, философов и художников. В некоторых кратерах, что расположены в полярных областях объекта, на дне может залегать водяной лёд, правда он гораздо твёрже земного, и просто отколоть кусочек молотком от такого ледника не получится. Помимо кратеров, ландшафт Меркурия составляют горы, долины, уступы и борозды, образовавшиеся на заре существования планеты.

Хотя Меркурий меньше Земли и даже Марса, он обладает очень большим внутренним ядром из железа и никеля, которое частично или полностью находится в жидком состоянии и занимает 75% объёма планеты. Поэтому Меркурий гораздо массивнее, чем мог бы быть при таких весьма скромных размерах.

К Меркурию за всю эпоху космических полётов отправляли только три автоматические станции («Маринер» и «Мессенджер»), одна из которых, BepiColombo, достигла планеты в 2021 году и будет работать в окрестностях Меркурия несколько лет. Примечательно, что этот аппарат был создан и собран международным научным коллективом, а на его борту есть сверхчувствительный прибор MGNS, полностью разработанный в российском Институте космических исследований (ИКИ).

Венера

Статус: планета

Радиус: 6051 км

Температура на поверхности: 464° C

Среднее расстояние от Солнца: 108,2 млн. км

Второй планетой по удалённости от Солнца и шестой по размеру в Солнечной системе является Венера. Она частый гость на земном небе, а по яркости уступает только Солнцу и Луне. Как яркая желтоватая звезда, Венера часто сияет в предутренние часы или в первую половину ночи высоко над горизонтом. Нетрудно догадаться, почему древние называли планету утренней или вечерней звездой.

Долгое время Венера считалась двойником Земли, ведь её радиус лишь на несколько сотен километров меньше земного. Но условия на поверхности второй планеты до середины прошлого века оставались загадкой для учёных: Венера покрыта толстым и непрозрачным слоем облаков. Кто-то предполагал, что под тучами находится тропический мир, населённый примитивными ящерами или же огромная и гладкая пустыня. Эти интригующие гипотезы пришлось забыть после первых исследований Венеры с помощью средств радиолокации и полётов советских межпланетных автоматических станций.

Оказалось, что на Венере очень жарко, почти всегда температура держится выше +400 градусов, а атмосфера состоит из углекислого газа. Более того, давление атмосферы превосходит земное в 90 раз, толстый облачный слой (на самом деле он состоит не только из облаков, но и из дымки и туманов) богат соединениями серной кислоты. Кстати, из-за этого часть земных спускаемых аппаратов погибла: их повредило высокое давление на большой высоте. Другие всё же благополучно сели на поверхность, хотя дополнительно получили несколько ударов молний — видимо, в тучах часто происходят грозы. А ещё венерианские облака и часть слоёв атмосферы чуть ниже их двигаются с огромной скоростью — до 400 км/ч. При этом у самой поверхности ураганных ветров земные станции не зафиксировали. Интересно было бы измерить скорость ветра на вершине местных гор — но в этом случае я бы волновался за целостность приборов и роботов, которых рискнут туда отправить.

Жарко на Венере даже ночью, так как нагревается планета за счёт парникового эффекта: облачный слой задерживает часть излучения от поверхности, и тем самым образуется некоторое подобие теплицы космических масштабов. Какие процессы и катаклизмы сделали атмосферу Венеры настолько экстремальной, пока трудно сказать. Одна из самых правдоподобных версий заключается в почти синхронном извержении местных вулканов, которые продолжались не один год и навсегда отравили атмосферу. Примечательно, что подобное будущее может ожидать и Землю, если проснутся супервулканы в Северной Америке и Средиземном море.

Венера, как и Меркурий, обладает необычно долгим периодом вращения вокруг своей оси. Одни сутки длятся там примерно 243 земных дня, а год — 224 дня. Вероятно, на вращение планеты в прошлом оказало влияние какое-то массивное небесное тело. По одной из гипотез, Меркурий раньше мог быть спутником Венеры, но затем постепенно удалялся и вышел на новую орбиту, став самостоятельным небесным телом. В результате потери спутника Венера изменила свой период вращения. С другой стороны, затормозить планета могла и благодаря трению собственной воздушной оболочки…

Карты поверхности Венеры были составлены благодаря методам радиолокации, ведь осуществить полную фотосъёмку планеты затруднительно. На Венере очень мало кратеров и гор, в основном эта планета равнин и холмов. Местный ландшафт оказался богат на уникальные структуры, которые образовались в результате прорыва и охлаждения лавы из недр планеты — они похожи на гигантские многокилометровые блины или куски паркета высотой в несколько сотен метров.

Объектам венерианского ландшафта дают преимущественно женские имена. Например, на карте планеты можно отыскать равнину Снегурочки, кратер Катя и равнину Русалки.

Естественных спутников у Венеры не обнаружено, хотя не исключено, что раньше они были. Так же, вопреки расхожим представлениям, какие-либо прямые признаки наличия жизни на второй планете Солнечной системы отсутствуют, несмотря на некоторое количество органических веществ, найденных в местной атмосфере в 2021 году.

Больше всего информации о соседней планете учёные получили благодаря автоматическим зондам. Это были станции советского проекта «Венера», которые запускали в космос с 1961 года. Но только в 1970 году спускаемый модуль станции «Венера-7» стал первым аппаратом, которому удалось в рабочем состоянии пролететь через все слои венерианской атмосферы и передать достоверную информацию о температуре на поверхности планеты, хотя приборы для остальных измерений и экспериментов отказали. Миссия следующего аппарата, «Венеры-8» была полностью выполнена — его устройства функционировали 50 минут после посадки, а «Венера-9» передала первые в истории человечества фотографии поверхности Венеры. Это произошло 22 октября 1975 года. Всего же советских автоматических миссий на Венеру насчитывается более шестнадцати. В XXI веке к соседней планете направили свои корабли Япония (аппарат «Акацуки») и Европейское космическое агентство («Венера-экспресс»). В 2024 году Индия планирует запуск к Венере межпланетного корабля «Шукраян-1»

Земля

Статус: планета

Радиус: 6371 км

Температура на поверхности: от -89° C до 56° C

Среднее расстояние от Солнца: 149,6 млн. км

Третья планета Солнечной системы примечательна хотя бы тем, что все, кто читает этот текст, находятся только на ней и нигде более (не считая отважных космонавтов на борту Международной космической станции). Земля выделяется в Солнечной системе именно наличием разумной жизни, богатым животным и растительным миром и протяжёнными водоёмами на поверхности. Давление и состав атмосферы нашей планеты таковы, что позволяют воде существовать в открытых водоёмах исключительно на Земле. В радиусе сотен миллиардов километров от нашего общего дома не текут реки, не слышен шум прибоя или пение птиц, не шумят леса, а ветры не проносятся над бескрайними зарослями трав и кустарников.

Жизнь, по предварительным данным, образовалась на Земле 3 миллиарда лет назад и значительно изменила состав земной атмосферы. Отправившись в далёкое прошлое, мы вряд ли могли бы дышать без скафандра на родной планете, так что различные организмы отлично приспособили планету под свои нужды, выделяя одни газы и утилизируя другие. Сейчас в составе земной атмосферы больше всего азота, а вот кислорода — менее 22%.

В отличие от Венеры и Меркурия, у Земли существует мощное магнитное поле, которое задерживает часть вредного солнечного излучения, предотвращая рассеивание атмосферы в космическом пространстве. Именно оно, наряду с воздушной оболочкой, предохраняет всё живое от смертельных ожогов.

Земные недра достаточно горячие, а в центре нашей планеты температура достигает 5 000 градусов по Цельсию. Поэтому на Земле регулярно происходят извержения вулканов и мощные землетрясения. Кора, которая образует верхний слой земной поверхности, медленно движется и за миллиарды лет очертания и положение материков могу измениться до неузнаваемости.

Ось, вокруг которой происходит вращение Земли, наклонена. Это значит, что на планете меняются времена года. В июне она подставляет Солнцу северное полушарие, где наступает лето, а в декабре — южное. Когда у нас идёт снег, в Австралии может быть нестерпимая жара. При этом положение на орбите не сказывается на колебаниях температуры: ближе всего к Солнцу наша планета в декабре, а дальше всего в июле.

Климат третьей планеты системы так же разнообразен. Самая высокая температура на Земле может достигать +56° C, а самая низкая, которую удалось документально зафиксировать, равнялась -80° C. Благодаря вращению Земли в её атмосфере образуются циклоны и ураганы, а воздушные массы циркулируют между полюсами и экватором.

Земля богата полезными ископаемыми, которые всё ещё представляют хозяйственную ценность для человека, хотя их использование малоэффективно и зачастую вредно влияет на атмосферу. К сожалению, именно деятельность человека стала причиной вымирания тысяч видов животных и растений, сокращения площади лесов и таяния вечной мерзлоты.

Благодаря наличию массивного естественного спутника на Земле происходят приливы — они образуются почти одновременно в тех точках, где Луна восходит и на противоположной стороне планеты. Вода как бы вытягивается огромным горбом к Луне, перемещаясь вслед за светилом. Приливные волны с двух сторон огибают земной шар, оказывая влияние на скорость вращения Земли вокруг своей оси. Такая, на первый взгляд, странная конфигурация приливов вызвана многими факторами — и неравномерностью гравитационного воздействия Луны, и инерцией, возникающей из-за собственного вращения нашей планеты. Так что приливы наблюдаются не только на одной стороне Земли, как думают многие.

Луна

Единственным массивным естественным спутником Земли является Луна. Она известна людям с древности и вряд ли стоит задаваться вопросом, а кто её открыл, ведь даже животные замечают Луну на небе, а некоторые мхи реагируют на лунный свет, ускоряя или замедляя свой рост. В полнолуние на поверхности Земли освещённость настолько высока, что можно разбирать текст, написанный крупным шрифтом или выполнять несложные манипуляции.

Даже невооружённым взглядом на Луне видны светлые и тёмные участки. Тёмные по традиции называются морями, хотя в них нет ни капли воды. На заре становления астрономии учёные полагали, что лунные моря действительно могут являться водоёмами, но когда поняли ошибочность этих выводов, наименования «моря», «океан», «озеро», «залив» и «болото» не стали убирать с лунных карт, ведь они надёжно закрепились. Лунные моря представляют собой обширные пространства, заполненные остывшей миллиарды лет назад лавой, которая кажется наблюдателю тёмной. Крупнейшее лунное море называется Океаном бурь.

Наряду с морями, на Луне существуют горы, холмы и кратеры разных размеров. Причём последних на ней очень много и образовались они, когда молодая Луна подвергалась постоянным ударам астероидов (т. н. тяжёлой бомбардировке). В молодой Солнечной системе было очень много естественного космического мусора, так что столкновения небесных тел происходили регулярно. Да и атмосфера Луны рассеялась достаточно быстро, так что падения астероидов на её поверхность оставляли после себя внушительные следы — космические камни и булыжники нечему было затормозить. Глубина некоторых кратеров составляет сотни метров, диаметр — десятки километров. Самые крупные из них, такие как кратер Тихо, видны даже в детскую подзорную трубу. Примечательно, что во время столкновения, которое породило этот кратер, из недр Луны выбило тонны светлого вещества, затем оно осело в виде протяжённых полос на поверхность небесного тела, образовав очень красивые структуры.

Луна вращается вокруг Земли, делая один оборот почти за 30 суток. И за всё это время положения Солнца, Земли и Луны друг относительно друга меняется и мы по-разному видим освещенную половину нашего спутника. Часть видимого диска Луны, которая освещена, называется фазой Луны. При этом фазы меняются с периодом 29,5 дней, так что нетрудно подсчитать, когда будет следующее полнолуние, зная дату предыдущего. А ещё время обращения Луны вокруг своей оси и вокруг Земли совпадает, так что мы наблюдаем только одну сторону спутника, а ландшафт и строение другой стороны этого небесного тела до эры космических полётов оставалось неизвестным. Впрочем, тёмной называть обратную сторону Луны нельзя, ведь наш спутник вертится, как гигантская юла и не стоит на месте, значит смена дня и ночи на Луне происходит регулярно. Как вы уже наверное догадались, когда на обращённой к Земле стороне Луны ночь, на противоположной — день.

Стоит сказать, что состояние, при котором спутник постоянно обращён к планете только одной стороной — распространённый феномен и называется приливным захватом. Он возникает благодаря особенностям гравитационного взаимодействия планеты и спутника. Так, в приливном захвате находятся спутник Плутона, называемый Харон и часть спутников планет-гигантов. Возможно, в Галактике существуют звёзды, чьи планеты также оказались в подобной конфигурации — вот там действительно можно говорить о полушариях, где вечно царит тьма или яркий полдень.

Именно наблюдая за Луной люди придумали первый календарь, который помог отсчитывать длительные промежутки времени и вести сельское хозяйство, ведь используя деления на месяцы, проще планировать посадку растений и уборку урожая. Сам термин «месяц» также произошёл из-за названия одной из лунных фаз. Но календарь, основанный на движении Луны по небу, оказался не очень точным, так как одни и те же фазы Луны повторяются не через целое число земных суток и в календаре приходится округлять даты. Поэтому лунный календарь был заменён солнечным, одной из вариаций которого мы пользуемся до сих пор.