Батьком серед своїх планет
І за Землею стежачи особливо -
Семен Кірсанов
Сонце і Місяць і інші світила ... ... стали утворюватися і збільшуватися завдяки збільшенню і обертанню деяких дрібних природ, або вітряних, або огнеобразних ...
Епікур (III - IV століття до н.е.)
Відстані між планетами
Кожна наступна планета відстоїть від Сонця в 1,4 - 2,0 рази далі попередньої (в середньому в 1,7 рази). Ця закономірність відома як правила Боде, популяризувати ідею Тициуса. Співвідношення порушується тільки для Юпітера, що послужило приводом для пошуку планети, замість якої був відкритий пояс астероїдів. У це співвідношення також не зовсім вкладається Плутон, але за сукупністю ознак він не є "повноцінною" великої планетою. Правило Боде в якійсь мірі можна застосувати і до супутникових систем планет (див. нижче).
Правило Боде цілком зрозуміло, якщо врахувати, що планети утворилися з єдиного газово-пилової хмари шляхом гравітаційного злипання частинок. Для того, щоб частини "злиплися" вони повинні володіти невеликими відносними швидкостями, тобто належати певній смузі, краю якій не сильно відрізняються по орбітальної швидкості частинок. Чим далі від Сонця, тим така смуга ширше.
Відносна маса планет
Маса утворюється планети залежить від наступних показників:
щільність газово-пилової хмари на даному відстані від Сонця (вона залежить від початкової щільності хмари і від відстані до Сонця: з найближчих околиць Сонця світло і сонячний вітер видувають водень і гелій - основні компоненти первинного хмари);
ширина смуги, в якій йде об'єднання частинок з близькими швидкостями, тобто від віддаленості від Сонця (чим далі, тим смуга ширша);
наявність або відсутність по сусідству особливо масивної планети (Юпітера), яка руйнує "зародок" планети резонансними явищами і відтягує на себе частину речовини.
У безпосередній близькості від Сонця газово-пилові хмари було спочатку густим, але водень і гелій були видавлені звідси світлом і сонячним вітром, смуга близьких швидкостей була самої вузької, великої планети не було, але могло бути гальмування речовини від тертя об сонячну атмосферу і випадання його на Сонце; тому тут виникла "повноцінна" планета, але найменша з них - Меркурій.
Наступна смуга відрізняється тільки більшою шириною і меншим гальмуючим впливом сонячної атмосфери. Тут виникла значно більш масивна Венера.
Наступна смуга відрізняється від попередньої, в основному, теж тільки шириною, і тут повинна була б виникнути планета рази в півтора-два масивніше Венери, але стабільність цієї ділянки Сонячної системи вже в якійсь мірі порушувалася близькістю Юпітера. Тому Земля виявилася лише трохи-трохи масивніше Венери. Крім того, вона зіткнулася з якимось досить масивним тілом (на кшталт Марса), і на навколоземну орбіту було викинуто речовина (земна мантія), з якого виникла Місяць. Відстань від Юпітера і Сонця дозволила утримати Місяць. Є припущення, що Земля виникла в відновному середовищі; силікати були тут безводними, а залізо і нікель не окислені; але Юпітер "відкинув" сюди частина крижаних планетезималей зі своїх околиць, і Земля виявилася багата водою, маючи два хімічних початку [Жарков, 1998] .
Наступна смуга була ще ширше, але в її межах занадто сильно позначалася дестабілізуюча близькість Юпітера. Деякі з планетних "зародків" збилися з кругової орбіти і були викинуті з цієї смуги (або поглинулося Юпітером, або зіткнулися з Землею). Тому тут виникла порівняно маленька планета - Марс. Супутники Марса з'явилися дуже пізно. Це маленькі захоплені астероїди. У цьому проявилася близькість до пояса астероїдів.
У наступній смузі через близькість до Юпітера велика планета так і не виникла. Планетні "зародки", в основному, поглинули Юпітером, стали його супутниками або були відкинуті в інші частини планетної системи. З інших утворилися астероїди, сумарна маса яких дуже мала в порівнянні з планетами. Приблизно в поясі астероїдів переважали гідросилікати [Жарков, 1998].
Наступна смуга була ще ширше, але, головне, що на цій відстані від Сонця протопланетной хмара довгий час було непрозорим для світла і сонячного вітру; сюди здували водень і гелій з околиць Сонця. Тому тут виник самий масивний планетний "зародок", який поглинув також частина речовини, "призначався" для астероїдів, Марса і навіть Землі. Так виник Юпітер - сама масивна планета і володіє наймасивнішою і самої великий у діаметрі супутниковою системою. Жоден "сусід" не міг відірвати його супутники (Марс і астероїди малі, а Сатурн далекий). У смузі Юпітера переважали льоди в широкому сенсі (вода, метан, аміак) [Жарков, 1998].
Наступна смуга була ширша за попередню, але початкове хмара тут було вже не настільки густе, в результаті чого виник Сатурн - друга за величиною планета і володіє теж великий супутниковою системою.
Для кожної наступної планети (Уран, Нептун) смуга ще ширше, але різко зменшується початкова густота хмари. Виникають дві приблизно однакові гігантські планети, але значно поступаються за розмірами Юпітера і Сатурну.
На ще більшій відстані від Сонця хмара ще більш розріджений, і частки не змогли зібратися в єдину планету. Виник другий пояс астероїдів або ж пояс, в якому планетоутворення ще не завершилося.
Супутники планет
Найдальший з відомих планетних супутників віддалений від планети на 23,7 млн. км (Синопі у системі Юпітера). Плутон ж віддалений від Сонця на 5913,5 млн. км, тобто планетна система приблизно в 250 разів більше найбільшою супутникової. Якщо ж враховувати хмара Оорта, то Сонячна система по діаметру в 750 000 разів більше системи Юпітера. Але та система Юпітера не мала - лише у два-три рази менше відстані від Сонця до Меркурія і в 61 разів більше системи Земля-Місяць.
Для найбільш близьких до Сонця планет супутники не характерні. Або їх немає взагалі (Меркурій, Венера), або їх занадто мало для будь-яких узагальнень (Земля, Марс), причому супутники ці дуже різні за розміром і відстані від планети. Далі все знаходиться від Землі Місяць - в середньому на 384 395 км, або на 30 земних і 110 місячних діаметрів. Це самий великий у діаметрі супутник планети земної групи - 3476 км, або 0,27 діаметра планети. Найменшими і близькими супутниками володіє Марс: до Фобоса 9500 км (трохи більше діаметра планети), до Деймоса - 23 500 км, якщо діаметр Фобоса 30 км, то Деймос в 2-3 рази менше. Харон найбільш близький за розміром до "своєї" планеті: 0,5 діаметра Плутона (1190 км). Від нього до Плутона 8,5 діаметрів цієї планети (19640 км).
Супутникові системи відкриті також у чотирьох астероїдів, причому вони гранично малі за загальним розміром і за розміром складових тел. Кілометровий Дактиль паморочиться в 100 км від 56-кілометрової Іди, щодо Діоніса настільки докладних відомостей немає, а інші подвійні астероїди, можливо, є і взагалі контактними.
Супутникові системи планет-гігантів аналогічні Сонячній системі, якщо не рахувати того, що в їх складі є тіла, захоплені вже сформувалися. Однак, і в Сонячній системі на її периферії (в зовнішньому хмарі Оорта) можуть бути об'єкти, "які забрала" у інших зірок або самостійно оберталися навколо центру Нашої Галактики. Споконвічні супутники планет рухаються проти годинникової стрілки (при погляді з північного полюса Землі), а захоплені - по-різному; вони маленькі й чорні [Хартман, 1990]. У Сонячній системі кометні ядра зовнішнього хмари Оорта теж рухаються в різних напрямках, що помітно при появі комет з цієї периферійної частини Сонячної системи.
Виділяється кілька груп супутників:
найближча до планет; для неї характерні маленький і рідше середній розмір тіл, "купчастість", співвідношення Боде зазвичай не дотримуються, але можуть і дотримуватися (особливо в периферійній частині цього поясу); деякі тіла цієї групи кружляють всередині кілець або є "пастухами" кілець , а деякі - близькі до межі Роша, де великий супутник повинен бути розірваний приливними силами планети, можливо, деякі з цих супутників захищені від розриву своїми малими розмірами або вже являють собою уламки розірвалися небесних тіл (особливо, коли на одній орбіті кілька подібних тіл) ; ці тіла аналогічні планет земної групи, можливо, цю групу потрібно розділити на дві:
внутрішня частина - нестабільні супутники в кільцях або поблизу них, уламки на одній і тій самій орбіті і т.п. (Адрастея і Метида у Юпітера; Нова місяць, Атлас, Пандора, Прометей, Янус і Епіметей у Сатурна; 7 - 8 найближчих в Урана; Наяда, Таласса, Деспойна і Галатея у Нептуна);
зовнішня частина - справжні аналоги планет земної групи, які віддалені від кілець і підкоряються правилу Боде (Амальтея і Феба в Юпітера; Мімас, Енцелад і деякі інші в Сатурна; Пук в Урана; Ларісса і Протей у Нептуна);
друга за віддаленості група; зазвичай це великі або середні за відносним розміром тіла, для яких досить чітко дотримується правило Боде; аналогічна планетам-гігантам;
третя за віддаленості група; є або відкрита не у всіх планет-гігантів; маленькі за розміром тіла, які обертаються в стандартному напрямку і іноді "купчасто" (співвідношення Боде не дотримується); аналогічна малим планетам другого поясу або кометним тілам внутрішньої частини хмари Оорта;
група самих далеких супутників; маленькі за розміром тіла, які можуть обертатися протилежно обертанню планети, іноді орбіти бувають зближеними (у Юпітера); орбіти бувають витягнутими; площину орбіти тяжіє не до екватора планети, а до площини орбіти планети; група аналогічна тілам зовнішньої частини хмари Оорта; втім, істинної аналогією з хмарою Оорта може і не бути через відносній близькості інших великих планет, які дестабілізують зовнішні частини супутникових систем (зоря від зорі відстоїть щодо далі). Цю групу зазвичай розглядають разом з попередньою [Сурдін, 1998в].
Періоди обертання планет навколо своєї осі
Найближчі до Сонця планети (Меркурій, Венера), мабуть, сильно пригальмовані приливними силами Сонця і роблять оборот навколо осі за десятки або сотні земних діб.
Значно швидше обертаються Земля і Марс (24 і 24,5 години). Земля в протерозої оберталася ще швидше (18 годин), але на 6 годин пригальмовані Місяцем.
Планети-гіганти характеризуються особливо короткими добу - від 10 до 16 годин, причому швидше за все обертаються самі масивні з них.
Плутон робить оборот за 6 діб. Це відповідає часу обертання навколо нього Харона. Плутон завжди повернутий до Харону однією стороною, так як зупинений його приливними силами (це сама подвійна планета Сонячної системи).
Значить, є одночасно кілька тенденцій:
чим далі від Сонця планета, тим вона швидше обертається навколо своєї осі;
чим масивніше планета, тим вона швидше обертається (супутникам важче її призупинити своїми приливними силами?);
чим ближче і масивніше супутники планети, тим вона повільніше обертається.
Хімічні відмінності в складі планет, магнітні поля і внутрішню будову планет
Відмінності між планетами земної групи та планетами-гігантами виникли вже на самому початку розвитку планетної системи, коли в результаті згущення газово-пилової хмари закінчувався процес утворення Сонця [Саділов, Пешек, 1967]. Температура Сонця в цей час підвищилася до мільйона градусів (зараз - 14 млн.), і в його ядрі пішли термоядерні реакції. Крім інфрачервоних променів, Сонце стало випромінювати видиме світло, під впливом якого в поки ще єдиному протопланетному хмарі відбулися величезні зміни.
Це протопланетной хмара на всьому протязі, крім дрібних пилуватих часток, містило також вільні атоми і молекули. Особливо багато було водню, значно менше гелію, а важкі елементи були присутні в незначних кількостях. Тиск сонячних променів витіснило водень і гелій з найближчих околиць Сонця, як це зараз відбувається з частинками кометних хвостів. У результаті цього протопланетной хмара поблизу Сонця втратило основну масу і в процентному відношенні збагатилося більш важкими елементами (Fe, Si, O та інші). Тут виникли планети земної групи - не дуже масивні, зате щільні [Саділов, Пешек, 1967].
Далеко від Сонця сонячні промені поглиналися первинної туманністю і не впливали на атоми і молекули легких елементів. Тому планети-гіганти виявилися такими масивними і містять переважно водень і гелій [Саділов, Пешек, 1967]. Крім того, ці масивні планети змогли утримати водень і гелій в умовах відносно низьких температур. Якщо до Землі, наприклад, додати ці елементи до рівняння їх концентрації з сонячною, то Земля виявиться масою з Юпітер [Блек, 1991].
На ще більших відстанях від Сонця в результаті гравітаційного "злипання" дрібних частинок виникло кометне хмара. В умовах вкрай низьких температур тут могли існувати вільні радикали на зразок CH, CN, CO, OH і т.п. У кометних ядрах дрібні тверді порошинки з'єднані в одне ціле замерзлими газами, які починають випаровуватися, якщо комета наближається до Сонця.
У планетах земної групи незабаром після їх утворення почалося нагрівання за рахунок радіоактивного розпаду деяких важких елементів (в основному, урану, торію і радіоактивного калію) і за рахунок тепла, що виділяється при з'єднанні вільних радикалів. Надра планет розплавилися, і важкі елементи (насамперед - залізо) опускалися вглиб, формуючи залізні ядра, а оксиди кремнію та інші відносно легкі речовини спливали на поверхню, формуючи мантію, верхній переостившій шар якої утворив тонку кору. Аналогічні процеси відбувалися і в надрах планет-гігантів, але їх початковий склад був іншим.
Особливо щільним (для порівняно малої маси) виявився Меркурій. У нього найбільший відносний розмір залізного ядра і за рахунок цього є слабке магнітне поле, хоча планета обертається повільно. У Венери і Землі відносні розміри залізних ядер менше, ще менше - у Марса, причому, якщо у Землі і Венери є шар рідкого заліза на поверхні ядра, то у Марса такого рідкого шару немає. Тому у Землі є магнітне поле, а у Марса - ні. У Венери теж немає магнітного поля, але з іншої причини - вона вже дуже повільно обертається навколо осі.
Особливо малі відносні розміри ядер у планет-гігантів, причому це, найімовірніше, не залізні, а кам'янисті ядра. У Юпітера й Сатурна ці ядра оточені шаром металевого водню (за рахунок чого в поєднанні з швидким обертанням є потужні магнітні поля). Уран і Нептун кілька менш масивні, і такого шару у них немає. Магнітне поле Урану має іншу природу: пов'язане з розчином аміаку у воді (є носії заряду - іони амонію і гідроксилу).
Джерела енергії в сонячній системі
Сонце - основне джерело енергії на поверхні тіл Сонячної системи.
Енергія планетних надр - для температурного балансу на поверхні тіл має дуже обмежене і, як правило, локальне значення (поблизу вулканів в моменти вивержень), але приводить у рух механізм тектоніки плит і тому перетворює вигляд Землі; має також значення для Юпітера, Сатурна, Нептуна , Венери і, можливо, для деяких інших великих небесних тіл.
Енергія обертання планет у поєднанні з сонячною енергією приводить у рух атмосферу, створює магнітне поле і, можливо, коригує тектоніку плит; особливо велике значення має для планет-гігантів.
Енергія припливів - має істотне значення для великих і близьких супутників Юпітера, викликаючи вулканізм (Іо) або менш значний розігрів надр (Європа). Енергія припливів обумовлена обертанням небесних тіл або їх орбітальним рухом, а тому не самостійна.
Енергія зіткнень небесних тіл (енергія їх орбітального руху) - основна енергія, яка змінює вигляд поверхні більшості дрібних та середньорозмірних тіл Сонячної системи (Меркурій, Марс, Плутон, Місяць і багато інших супутники планет, а також астероїди і кометні ядра).
Клімат на планетах і безперервно жила зона
Не тільки відстань від планети до Сонця, а й особливості обміну вуглекислим газом між атмосферою і сушею пояснюють, чому Венера позбулася води і розжарилася, Марс замерз, а Земля залишилася придатною для життя [Кастинг та ін, 1988].
Для земної атмосфери характерний буферний ефект, який регулює її температуру. Зворотній зв'язок забезпечується карбонатно-силікатною геохімічним циклом (див. розділ про Землю), що відповідає за 80% обміну вуглекислим газом. 20% обміну забезпечені рослинами (фотосинтез забирає вуглекислий газ, а при диханні і гнитті він виділяється). Якщо б не живі організми, що засвоюють вапно в океані, вапно б осаджувалася на дні сама, але при трохи більшій концентрації вуглекислого газу в атмосфері і вапна в океані. Температура атмосфери була б на 10% вище, але катастрофи не було б. Отже, не життя головне, а силікатно-карбонатний цикл!
На Марсі кругообіг вуглекислоти був порушений, і вся вапно опинилася в гірських породах. Марс замерз у першу чергу не з-за віддаленості від Сонця, а з-за свого маленького розміру. Саме через це не було тектоніки плит, і вуглекислий газ не виділявся в атмосферу. Значить, не було і парникового ефекту. Марс теоретично може оживати лише на якийсь час після ударів гігантських метеоритів чи вивержень вулканів (коли в атмосферу надходить відразу багато вуглекислого газу). Якби Марс був масивніше, то був би живемо. Він міг бути мешкаємо і в далекому минулому, коли ще не охолов. У далекому майбутньому він теж на якийсь час зможе "ожити" через збільшення світимості Сонця.
На Венері через близькість до Сонця (через фотодиссоціації води) випарувався водень, не стало води, вуглекислий газ перестав з дощами вимиватися і весь скупчився в атмосфері. Без вуглекислого газу Венера була б холодніше Землі. Не виключено, що на ранніх етапах свого розвитку (до повної фотодиссоціації води) Венера була придатною для життя.
Безперервно жила зона в Сонячній системі розташована від 0,95 до 1,5 а.о.; в ній - Земля і Марс [Кастинг та ін, 1988].
Населені можуть виявитися і деякі супутники планет (наприклад, Європа, де під шаром льоду в океані можуть мешкати хемосинтетики) - за рахунок розігріву надр приливними силами.
Світність Сонця зростає на 1% кожні 100 мільйонів років, і через 1 мільярд років з Землі почне зникати вода. Розігрів планети буде відстрочений карбонатно-силікатною циклом, але лише на якийсь час.
Як вже говорилося, нещодавно робилися заяви про "відкриття" слідів живих організмів у метеоритах і широкому поширенні життя на планетах Сонячної системи в минулому [мружачись і ін, 1997]. Таким чином, існують дві принципово різні крайні точки зору на життя у Всесвіті.
По-перше, іноді вважається, що життя - дуже рідкісне явище, для її виникнення і підтримки потрібно унікальна комбінація умов: рідка вода, початковий концентрований розчин органічних речовин абіогенного походження, помірний приплив сонячної і т.п. енергії, атмосфера з озоном, помірною кількістю вуглекислого газу і т.п., тектоніка плит, силікатно-карбонатний цикл, тривале існування стабільних умов і т.п. Відповідно до цієї точки зору, життя не може переноситися з планети на планету (інакше як на космічних кораблях, тобто за наявності розуму). Земля - це унікальна планета і в Сонячній системі, і в найближчому зоряному оточенні Сонця, і, можливо, в Нашій Галактиці, а то й у Всесвіті ...
Прихильники протилежної точки зору готові бачити життя скрізь: на Венері в минулому, на Марсі (на поверхні в смузі танення полярних шапок, у глибині грунту в інших місцях, а також скрізь на поверхні в минулому), під льодом на Європі - супутнику Юпітера. Є уявлення, що воду при низьких температурах може замінити інший розчинник (рідкий аміак, сірка тощо), а замість вуглецевих ланцюжків можуть бути кремнієві або якогось іншого складу хімічні ланцюга. Життя на іншій хімічної базі може розвиватися і в концентрованих газах. Тоді населені можуть бути атмосфери планет-гігантів і деякі їхні супутники, а також вихідне газово-пилові хмари навколо Сонця ... Спори, насіння тощо освіти можуть нібито переноситися з планети на планету і в результаті тиску світла, і в метеоритах, вишібленних з планет під час зіткнень із значними небесними тілами.
Поки польоти автоматичних апаратів на Венеру і Марс не порадували прихильників другої точки зору. Марс, однак, у цьому відношенні не вичерпаний, і великі надії покладаються на політ людини в першому-другому десятилітті XXI століття. Важливий також сам факт існування протягом кількох днів розумного життя на Місяці. Значить, завдяки розуму, життя може переноситися з одного небесного тіла на інше. До речі, американські космонавти, оглядаючи обшивку раніше запущеного на Місяць автомата, виявили занесену з землі колонію бактерій. Бактерії харчувалися цієї обшивкою і вціліли під жорсткими космічними променями сонячного і галактичного походження.