АСТРОБИОЛОГИЯ

Планеты Солнечной системы. Размеры и химический состав атмосферы планет

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГЛАВНЫХ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

В центре солнечной системы находится Солнце. Вокруг него движутся Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Первые пять планет, не считая, конечно, Земли, были известны уже в далекой древности. Древние римляне назвали их по именам своих богов.

Так, первая планета обращается вокруг Солнца всего в 88 суток, и поэтому ее назвали в честь бога Меркурия. Меркурий, как гласит мифология, был посланцем у других богов и должен был очень быстро выполнять даваемые ему поручения.

Вторая планета получила имя богини красоты Венеры. И действительно, Венера ярче и красивее всех других планет и звезд. Она бывает видна на востоке перед восходом солнца и на западе после заката и называется поэтому еще утренней или вечерней звездой. Венера воспета во многих поэтических литературных и музыкальных произведениях.

За оранжевый цвет, несколько напоминающий цвет пожаров и крови, планета Марс получила имя римского бога войны.

Следующая планета названа римлянами в честь верховного бога Юпитером. Юпитер уступает по яркости лишь Венере и совершает свой путь вокруг Солнца за 12 лет. Интересно, что, не имея никакого понятия о действительной величине планет, древние астрономы дали имя верховного бога именно самой большой из них, как это мы знаем в настоящее время.

Последняя из известных в древности планет – Сатурн – за свой мертвенно‑зеленоватый цвет названа по имени бога смерти.

Нам известны еще три планеты, открытые в XVIII, XIX и XX столетиях и тоже названные именами древнеримских богов: Урана – бога неба, Нептуна – бога моря и Плутона – бога подземного царства.

В таблицах приведены основные данные о планетах солнечной системы.

Они показывают, что если не принимать во внимание Плутона, о котором мы знаем еще очень мало, то планеты по диаметру, массе и плотности резкоразделяются на две группы. Меркурий, Венера и Марс мало отличаются от Земли, их называют земноподобными. Последние четыре планеты – планеты‑гиганты, они очень велики, имеют большие массы и малую плотность.

Время вращения вокруг оси у планет‑гигантов значительно короче, чем у земноподобных планет. К тому же Юпитер и Сатурн вращаются не как твердое тело, а по поясам: чем дальше от экватора, тем вращение медленнее. Это показывает, что мы наблюдаем не твердую поверхность Юпитера и Сатурна, а их атмосферы.

Массы планет‑гигантов во много раз больше массы Земли. Например, масса Урана – почти в 15 раз, Нептуна – в 17, Сатурна – в 95, а Юпитера – в 318. Юпитер обладает мощной силой притяжения и может удерживать вокруг себя даже очень легкие газы.

Плотность же планет‑гигантов лишь немного больше, чем плотность воды, а у Сатурна даже меньше.

Поскольку нам известно очень мало твердых или жидких веществ, обладающих столь малой плотностью, мы можем предполагать, что внешние слои планет‑гигантов газообразны или же состоят из очень легких веществ. А значит, атмосферы их достигают громадной толщины в десятки тысяч километров.

Изучать физические и химические свойства атмосфер мы можем, пользуясь методом спектрального анализа. Заключается он в следующем.

Если мы пропустим свет Солнца через стеклянную призму, то он разложится на составные части в виде цветной полосы, называемой спектром. Спектр по своему строению похож на радугу с более отчетливо разделенными цветами.

Солнечные лучи, идущие от наблюдаемой планеты, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, дважды проходят через ее атмосферу: падая на планету и затем отражаясь от поверхности. При этом атмосфера частично поглощает некоторые из солнечных лучей, потому что каждый из газов, которые ее составляют, поглощает только вполне определенные лучи, что выражается темными линиями в соответствующих местах спектра. По этим линиям можно судить о природе газа.

Следовательно, по спектру можно узнать, через какие газы прошел свет Солнца и планет. А это дает возможность выяснить, из каких газов состоит атмосфера Солнца и планет.

На следующей странице приведена схема спектроскопа – прибора, который дает возможность определять, какие лучи поглотила атмосфера.

В трубку, называемую коллиматором, вставлен объектив, в главном фокусе которого находится узкая щель (на схеме щель перпендикулярна к плоскости чертежа). Перед щелью помещается источник испытуемого света или изображение небесного светила, даваемое астрономической трубой. Из объектива выходит параллельный пучок света и падает на призму. Она разлагает свет на составные цвета, которые по выходе из призмы еще больше расходятся и попадают в объектив камеры. Этот объектив собирает каждый одноцветный пучок света в своем фокусе на плоскости «АБ». Например, красные лучи собираются в точке «К», фиолетовые – в точке «Ф». Полученный спектр можно рассматривать через лупу. Вставив в камеру кассету с фотопластинкой, получим спектрограф, применяемый для фотографирования спектра.

Фотография позволяет фиксировать свет более слабый, чем тот, который улавливается глазом, и невидимые глазом инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

Мы наблюдаем планеты сквозь земную атмосферу, а не за пределами ее. И поэтому свет Солнца, проходя через атмосферу Земли, теряет в ней те участки спектра, которые поглощены газами земной атмосферы.

Например, если бы мы могли наблюдать планеты, находясь за пределами земной атмосферы, то в спектре планеты, имеющей в своей атмосфере кислород, мы увидели бы линии поглощения этого газа. При наблюдении же сквозь земную атмосферу, в которой очень много своего кислорода, дающего темные линии в спектре, планетные линии кислорода тонут в линиях земного кислорода и их очень трудно выделить. Другой пример. Существование воды на Марсе не подлежит сомнению, а между тем паров воды в атмосфере Марса спектральный анализ практически не обнаруживает, потому что марсианские линии паров воды тонут в линиях паров воды, находящихся в земной атмосфере.

Как видно из первой таблицы, Меркурий находится в два с половиной раза ближе к Солнцу, чем Земля. Поэтому температура на нем значительно выше, чем на нашей планете. К тому же Меркурий обращен к Солнцу всегда одной стороной. На этой солнечной стороне Меркурия температура достигает 340 градусов выше нуля, то‑есть почти точки плавления свинца, а на противоположной стороне царит вечный мрак и холод.

При высокой температуре солнечной стороны и малой силе тяжести на Меркурии не могла удержаться в сколько‑нибудь значительном количестве атмосфера.

И действительно, наблюдения обнаруживают едва заметные следы атмосферы на этой планете.

Венера окружена плотной атмосферой, открытой еще М. В. Ломоносовым в 1761 году, и твердая поверхность планеты пока что недоступна наблюдениям. Поэтому мы знаем только немногое об атмосфере Венеры. В основном она состоит из огромного количества углекислого газа. Его здесь раз в 500 больше, чем в атмосфере Земли.

Весьма удивительно, что при большом сходстве Венеры с Землей по величине, массе и плотности в ее атмосфере не обнаружено паров воды и кислорода. Отсутствие паров воды объясняется довольно просто. В атмосфере Земли на уровне океана содержится 1,20 процента паров воды, а на высоте 11 километров всего 0,01 процента. Таким образом, если допустить, что высота облаков над поверхностью Венеры равна 11 километрам, то содержание паров воды над ними должно быть слишком ничтожно, чтобы их можно было обнаружить при помощи спектрального анализа.

Трудно понять отсутствие в атмосфере Венеры кислорода. К этому вопросу мы еще вернемся в дальнейшем.

Рассмотрим атмосферу Марса. В ней обнаружен углекислый газ, и притом в количестве вдвое большем, чем в атмосфере Земли. Что касается паров воды и кислорода, то они находятся за пределами, доступными наблюдению. А между тем мы знаем, что на Марсе вода есть, следовательно, должны быть и пары ее в атмосфере. Но исследования не обнаруживают их. По‑видимому, спектральный анализ в данном случае не может преодолеть маскирующего влияния паров воды и кислорода земной атмосферы.

Можно думать, что в атмосфере Марса находится в значительном количестве азот, но обнаружить его непосредственными наблюдениями до сих пор не удалось, так как в доступных наблюдению участках спектра у него нет резких линий поглощения.

Точные данные о давлении атмосферы на Марсе впервые были получены советскими астрономами академиком В. Г. Фесенковым и профессором Н. Н. Сытинской. Плотность атмосферы на Марсе такая, как на высоте 10–15 километров над поверхностью Земли.

Перейдем теперь к планетам‑гигантам. В их атмосферах найден в большом количестве газ метан – химическое соединение углерода с водородом.

Вот соответствующие числа для толщи метана в атмосферах при нормальном давлении и температуре: Юпитер – 150 метров, Сатурн – 350 метров, Уран – 1 500 метров, Нептун – 2 500 метров. Как видим, количество метана от Юпитера к Нептуну сильно увеличивается, но это увеличение в значительной степени кажущееся. Объясняется оно присутствием аммиака. В атмосферах Юпитера и Сатурна аммиак нaходится в газообразном, капельно‑жидком и в твердом состоянии. Вероятно, облака, плавающие в их атмосферах, состоят из капелек и кристаллов аммиака, а также других неизвестных нам пока что веществ. Облака закрывают от нас ниже лежащие слои атмосферы и, таким образом, уменьшают влияние метана на спектр планет. Иное дело на Уране и Нептуне. Температура в верхних слоях атмосфер этих планет уже настолько низка, что весь аммиак превратился в кристаллы, которые осели в глубокие, более плотные слои. Метановая атмосфера просматривается здесь во всю ее толщу, свет Солнца проникает далеко вглубь, проходит обратно такой же путь и попадает на Землю в приборы астронома.

Таким образом, увеличение содержания метана в атмосферах планет‑гигантов от Юпитера к Нептуну может быть явлением не действительным, а только производным, кажущимся. Эта мысль нам понадобится при рассмотрении вопроса о возможности жизни на планетах‑гигантах.