Отто Байндер - Загадки астрономии
Сходство этих четырех планет дополняется другими общими свойствами: низкой средней температурой, высоким атмосферным давлением на поверхности, многочисленными спутниками, достигающими иногда размеров «настоящих» планет, высокими значениями первой космической скорости (минимальная скорость, необходимая для преодоления силы тяжести планеты) и удивительно короткими сутками — следствие быстрого вращения. Однако каждый из них обладает отличительными особенностями. В этой главе мы познакомимся с двумя из четырех больших планет — Юпитером и Сатурном; Уран и Нептун будут рассмотрены в следующей главе. В порядке удаления от Солнца мы начнем с полосатой планеты, находящейся на расстоянии 800 млн. км.
Юпитер
Почти все, что касается Юпитера, самой крупной из внешних планет, способно ошеломить при первом знакомстве. Его экваториальный диаметр — 140 000 км — приблизительно в 11 раз больше земного. По весу Юпитер уравновесил бы 318 таких «гирь», как Земля. В сравнении с Землей его объем фантастичен: потребовалось бы более 1300 шаров каждый размером с Землю, чтобы наполнить пустую полость объемом с Юпитер. Эта громадина вдвое превосходит по массе остальные восемь планет вместе с их спутниками.
Естественно, что сфера гравитационного влияния этого Гаргантюа составляет около половины солнечной системы. Он сбивает кометы с их орбит, крадет астероиды, разорвал Астероидию и обзавелся миниатюрной «солнечной системой», в том числе двумя спутниками, каждый из которых больше Меркурия.
Космонавтам, высаживающимся на Юпитер, следует приготовиться к тому, что они будут весить четверть тонны, так как ускорение силы тяжести равно 2,67 g. На быстро вращающемся экваторе притяжение уменьшается до 2,5 g, а на полюсах вследствие отсутствия центробежной силы и сплюснутости возрастает до 2,84 g.
Пока космический корабль не разовьет тягу в пять раз большую, чем требуется на Земле, он не сможет преодолеть притяжения Юпитера, так как скорость убегания равна 60 км/сек (215 000 км/час). Именно эта невероятная сила притяжения помогла Юпитеру добиться того, чего не удается ни одной другой планете, — «украсть» четыре члена из семейства астероидов и сделать их пасынками вместе с восемью законными спутниками, «родившимися» еще при образовании солнечной системы.
Толщина атмосферы Юпитера 13 000 км — целый диаметр Земли. Юпитер часто называют полосатой планетой, так как в телескоп отчетливо видно по меньшей мере шесть зон, параллельных экватору.
Все эти коричневые, оранжевые и желтые облачные полосы вращаются с разной скоростью…
Загадка 1. Какова действительная скорость вращения твердой поверхности Юпитера, замаскированной вращающимися с разными скоростями атмосферными полосами?
Ни один квадратный миллиметр поверхности Юпитера ни разу не удалось увидеть через массу тумана, который можно сравнить разве только с самыми плотными штормовыми тучами на Земле, наслаивающимися друг на друга ярус за ярусом на протяжении сотен и тысяч километров. Следовательно, нельзя найти какой-либо ориентир, по которому можно было бы судить о вращении поверхности планеты. Поэтому астрономы наблюдают движение деталей наружного облачного слоя, которые позволяют достаточно уверенно определить период вращения, но дают различные результаты в зависимости от широты. Период вращения наружного облачного слоя на экваторе равен 9 часам 50 минутам, на полюсе — на 5 минут больше, а на промежуточных широтах находится между ними. Мы назвали только скорость вращения самого верхнего слоя атмосферы. Что можно сказать о вращении слоев на глубине 3000, 5000, 10 000 км от границы атмосферы? И какова действительная скорость вращения поверхности, находящейся на глубине 13 000 км?[19]
Неожиданные изменения скорости вращения только один из сюрпризов атмосферы Юпитера — настоящего мира чудес.
Загадка 2. Что представляет собой Красное пятно, отстающее от общего вращения?
Впервые Красное пятно наблюдалось в 1878 г. Оно имеет форму огромного овала — 50 000 км на 20 000 км, который внезапно стал красным, выделяясь на светлом фоне южной тропической зоны. Пятно, которое с тех пор периодически то тускнело до розового цвета, то вновь становилось красным, имеет собственную скорость — меньшую, чем скорость вращения планеты на этой широте. Скорость Красного пятна нерегулярно изменяется; иногда оно отстает на 15 минут от среднего периода вращения, а затем движется быстрее.
Сначала считали, что Красное пятно — это облако, выброшенное гигантским вулканическим извержением, позднее — участок атмосферы, окрашенный в красный цвет бромом или окислами азота, но ни одна теория не могла объяснить его длительное существование. В настоящее время полагают, что Красное пятно состоит из полутвердого вещества, возможно пористого, как пемза, и достаточно легкого, чтобы удерживаться в верхней части атмосферы Юпитера, подобно гигантскому плавающему острову. Временами более подвижное, меняющее свои очертания непрозрачное образование — Южное тропическое возмущение — догоняет и как бы обтекает Красное пятно, подтверждая представление о нем как о плавающем в облаках острове.
И, хотя поколения астрономов восхищались этими удивительными атмосферными явлениями, они не имели никакого представления о том мире, который скрыт под толстой атмосферой Юпитера.
Загадка 3. Есть ли у Юпитера твердая поверхность, пригодная для посадки корабля с командой космонавтов на борту?
Некоторые ученые высказывают предположение, что даже в случае неисправности тормозных двигателей космонавты совершат «мягкую» посадку, так как они не встретят твердой поверхности, а будут опускаться через слои газа, сжатого до полужидкого состояния. Если некий гипотетический корабль, достаточно прочный и массивный, совершит посадку на Юпитере, то он будет «тонуть» через все уплотняющиеся слои сжатых газов, похожих на сироп или болотную трясину, и наконец достигнет небольшого твердого ядра на глубине 65 000 км в центре планеты — настоящего газового гиганта.
Другие астрономы наделяют Юпитер небольшим по размерам, таким, как у нашей Земли, железо-каменным ядром, окруженным массивной оболочкой, состоящей из льда, замерзших аммиака, метана и других соединений. Выше все это переходит в жидкую фазу, образующую море глубиной 27 000 км. Между морем полужидких паров и «настоящей» атмосферой нет какой-либо четкой границы. Температура в атмосфере никогда не поднимается выше –130°C.
Эти теории были предложены задолго до проникновения человека в космос и с появлением новых идей и открытий быстро устарели. Саган в 1961 г. изложил новую, революционную теорию, согласно которой Юпитер вовсе не холодный, а имеет типичную для Земли температуру на поверхности и эта твердая поверхность, действительно, существует. Наполнив сосуд аммиаком, метаном, водородом и гелием, чтобы моделировать атмосферу Юпитера, Саган подвергал эту смесь высокому давлению и пропускал через нее ультрафиолетовые лучи. Газы проявили способность к парниковому эффекту, присущему и плотной атмосфере Венеры; температура под ним была 20°C — как в теплый весенний день на Земле.
Интенсивность облучения тщательно устанавливалась не выше той, которую имеют солнечные лучи на поверхности Юпитера, — в 25 раз меньше, чем для Земли, — и все-таки было очевидно, что прошедшая через атмосферу лучистая энергия аккумулируется и нагревает поверхность Юпитера значительно выше предела замерзания.
Эти искусно поставленные эксперименты опровергают теорию «замерзшего» Юпитера. Они свидетельствуют в пользу теплого Юпитера с морями настоящей воды, с привычной нам почвой и погодой с дождями, вспышками молний и раскатами грома.
Дальнейшие рассуждения Сагана способны поразить самое богатое воображение.
Загадка 4. А что, если Юпитер вовсе не холодный и бесплодный, а теплое царство цветущей жизни, более многообразной, чем на любой другой планете?
«Атмосфера Юпитера очень похожа на первичную атмосферу Земли, в которой появились живые организмы». Это ошеломившее астрономов заявление было сделано Саганом в 1961 г. В современной биологии принимается, что солнечные ультрафиолетовые лучи, проникавшие в первичную атмосферу Земли несколько миллиардов лет назад, вызывали химические реакции между метаном, аммиаком и свободным водородом с образованием простых органических соединений. Последние случайным образом объединялись в более сложные комбинации, до тех пор пока наконец не появились первые «живые молекулы». Случайно и вместе с тем неизбежно эволюция жизни началась.
