Введение

Парадокс современной астрономии состоит в удивительно низком уровне знаний о нашем собственном доме - Солнечной системе. Астрономия в рамках известных физических законов способна построить близкие к реальности модели рождения, жизни и смерти небесных объектов, размеры, массы, энергетическая отдача и удаленность которых громадны по сравнению с реалиями нашего повседневного опыта. И в то же время, нет надежной модели происхождения и формирования планет и спутников Солнечной системы, неизвестно, как образуются и откуда появляются кометы, и неясно, содержат ли астероиды первичное вещество или являются осколками однажды уже сформировавшихся планетных тел.

Согласно одной из последних оценок, возраст Солнца составляет 4,49 миллиарда лет. Другие оценки времени существования Солнечной системы дают значения от 4,6 до 5 миллиардов лет. Самые древние горные породы Земли, которые, однако, являются вторичными образованиями, существуют около 3,9 миллиарда лет. Эти значения определены по накоплению в минералах продуктов распада радиоактивных элементов.

Радиометрический возраст наиболее древнего вещества Солнечной системы, из которого состоят падающие на Землю метеориты, достигает в среднем 4,6 млрд. лет. Примерно тот же возраст имеют и наиболее древние породы Луны, доставленные на Землю космическими аппаратами и экспедициями.

В течении периода, равного 4/5 предположительного времени существования Солнечной системы, на Земле существуют одноклеточные живые организмы. История многоклеточных занимает примерно 1/7 часть истории Земли. Существование человека - Homo sapiens - укладывается в 1/10000 часть времени, прошедшего с момента образования планет. И всего лишь около 1/1000000 этого времени занимает вся история астрономических наблюдений и осмысливания их результатов.

Объекты, входящие в Солнечную систему

Центральное тело нашей планетной системы - Солнце - желтый карлик, сосредоточило в себе 99,866% всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134% вещества представлены девятью большими планетами и несколькими десятками их спутников (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами - астероидами (примерно 100 тысяч), кометами (около 10¹¹ объектов), огромным количеством мелких фрагментов - метеороидов и космической пылью. Механически эти объекты объединены в общую систему силой притяжения превосходящей массы Солнца. Ряд зависимостей показывают принадлежность различных по величине и физико-химическим свойствам тел к единому семейству. Средняя плотность объектов Солнечной системы изменяется в пределах от 0,5 г/см³ для ядер комет до 7,7 г/см³ для металлических астероидов и метеоритов.

Для наглядности все тела Солнечной системы, включая и Солнце, можно разместить на диаграмме логарифмической зависимости массы и размеров (рис. 1).

Рис. 1. Объекты Солнечной системы, представленные на диаграмме
логарифмической зависимости массы и размеров космических тел.

Самая крупная из планет - Юпитер отличается от Солнца на порядок по размерам и на три порядка по массе. Такое соотношение прямо указывает на одинаковую плотность вещества для обоих тел и близкий химический состав. Действительно, средняя плотность Юпитера составляет 1,32 г/см³, что очень близко к средней плотности солнечного вещества (1,41 г/см³). Основными элементами, определяющими химический состав обоих объектов, являются водород и гелий. Ближайший сосед Юпитера на диаграмме - Сатурн - по размерам почти не отличается от него, но меньшая плотность вещества планеты (0,686 г/см³) определяет и несколько меньшее значение массы. Следующие два гиганта - Уран и Нептун (с массой около 10²⁹ г) занимают на рассматриваемой диаграмме одно и то же положение, мало отличаясь по своим свойствам - средней плотности (1,28 и 1,64 г/см³ соответственно) и химическому составу. Все четыре планеты традиционно выделяются в группу планет-гигантов, отличительной особенностью которой являются не только значительные размеры и масса, но также и низкая средняя плотность, характерная для газового состава.

Земля и Венера занимают на диаграмме близкие позиции, почти не отличаясь по размерам, массе и средней плотности (5,52 и 5,24 г/см³ соответственно). Марс и Меркурий замыкают группу планет, которые по общепринятой классификации относятся к объектам земного типа.

Однако, перечень "больших" планет Солнечной системы на этом не исчерпывается. Обратившись к диаграмме на рис. 1, мы увидим еще одну планету, находящуюся в области спутников планет. Этот необычный объект - Плутон - в момент своего открытия в 1930 г. занимал наиболее удаленное от Солнца положение, соответствующее месту девятой планеты Солнечной системы. Но орбита Плутона, как оказалось, обладает значительным эксцентриситетом и в 1969 г. он пересек орбиту Нептуна, превратившись в восьмую по удаленности от Солнца планету. В этом статусе Плутон будет пребывать до 2009 г. А первый после своего открытия полный оборот вокруг Солнца Плутон завершит лишь в 2178 году. Иногда возникает вопрос, является ли Плутон самостоятельной планетой. По размерам это тело меньше, чем спутник Земли - Луна. Между тем, Плутон обладает собственным спутником, обнаруженным в 1978 г. и названным Хароном. Соотношение масс планеты и спутника в системе Плутон-Харон очень необычно - приблизительно 5 :1. Эту пару тел вполне обоснованно можно назвать "двойной планетой", компоненты которой обращаются вокруг общего барицентра. В Солнечной системе есть лишь еще одно подобное исключение - Земля и Луна. Но при этом естественный спутник нашей планеты по массе в 80 раз меньше центрального тела.

Харон вращается по орбите, наклон которой к плоскости орбиты Плутона является также весьма нетипичным и составляет 118⁰. Средний радиус орбиты Харона необычно мал - менее 19700 км. Ближе к своей планете (Марсу) находится лишь еще один спутник в Солнечной системе - Фобос. Однако соотношение масс Марса и Фобоса имеет совсем другой порядок: масса спутника составляет лишь 1,5х10^-8 массы планеты. Остается добавить, что наклонение орбиты самого Плутона к плоскости эклиптики также нетипично - более 17⁰. Остальные планеты, за исключением Меркурия (i = 7⁰), вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости, уклоняясь от нее не более, чем на 2⁰-3⁰.

На рис. 2 приведено изображение Плутона и Харона, полученное в феврале 1994 г. Космическим телескопом им. Хаббла во время удаления двух тел друг от друга на расстояние 19640 км.

Рис. 2. Изображение системы Плутон-Харон, полученное Космическим телескопом им. Хаббла.

Возвращаясь к рис. 1, следует указать, что выделенные на диаграмме группы планет располагаются на различном расстоянии от Солнца. Планеты земной группы составляют внутреннюю часть Солнечной системы. Планеты-гиганты образуют ее внешнюю часть. Промежуточное положение занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая часть малых планет. Распределение планетных расстояний от Солнца можно приблизительно описать известным степенным законом Тициуса-Боде, выведенным в конце XVIII века, где показателем степени служит порядковый номер планеты. Эта зависимость не имеет какого-либо физического содержания и для лучшего согласования с наблюдаемым распределением планетных расстояний приходится "подгонять" порядковые номера планет. Например, в некоторых видах формулы Тициуса-Боде для Меркурия показатель степени (номер планеты) принимался равным минус бесконечности, для Венеры - равным нулю, для Земли - единице и т.д. Несмотря на такие ухищрения, при больших расстояниях от Солнца закон оказывался неприменимым и отклонения вычисленных размеров орбит Нептуна и Плутона от наблюдаемых очень велики. Несомненно положительным результатом использования эмпирических соотношений, вытекавших из закона Тициуса-Боде, стало обнаружение Цереры и других малых планет, образующих пояс астероидов на расстоянии, где согласно закону должна была располагаться следующая за Землей большая планета. Сравнение "предвычисляемых" по закону Тициуса-Боде и действительных расстояний планет от Солнца показано на рис. 3. Расстояния представлены в астрономических единицах (1 а.е. - среднее расстояние Земли от Солнца, равное 149,6 млн. км). Кривая 1 показывает результаты расчетов по формуле Тициуса-Боде.

Рис. 3. Сравнение вычисляемых и наблюдаемых расстояний планет от Солнца:
1 - формуле Тициуса-Боде, 2 - по формуле Фесенкова.

В конце 50-х годов XX века В.Г.Фесенков предложил следующую зависимость между расстояниями планет от Солнца и их относительной массой:

L_n = L_n-1 [1 + K (M_n/M_s)^1/3],

где M_n - масса планеты, M_s - масса Солнца, K - постоянный коэффициент. Результаты вычислений по формуле Фесенкова представлены кривой 2 на рис. 3. Эта же зависимость успешно воспроизводит распределение расстояний в системах спутников планет-гигантов.

В последовательности на рис. 1 спутники планет расположились довольно компактной группой, несмотря на разную природу образующего их вещества. За исключением нашей Луны, средняя плотность которой 3,34 г/см³, и спутников Юпитера Ио и Европа (плотность которых 3,57 и 2,97 г/см³, соответственно), большинство спутников планет-гигантов состоят из льда с различными по массе примесями силикатных пород и характеризуются плотностью 1 - 2 г/см³. По соотношению масс и размеров с группой спутников планет тесно смыкаются наиболее крупные из астероидов. Резким исключением выглядят спутники Марса, массы и размеры которых более соответствуют астероидам, чем типичным спутникам больших планет. Возможно, Фобос и Деймос были захвачены Марсом из пояса астероидов.

Конечно, на диаграмме показаны не все, а только наиболее типичные малые тела, соответствующие параметры которых к настоящему времени известны. Подобной избирательностью следует объяснить разрыв между наименьшими астероидами и наиболее крупными метеоритами, которого в действительности, по-видимому, не существует.

Весьма примечательно, что кометы, имеющие аномально низкую плотность вещества ядер (около 0,6 г/см³), тесно примыкают к общей последовательности, дополняя ее, несмотря на уникальную природу этих тел и полную неясность их происхождения. На диаграмме показаны лишь некоторые из комет, наблюдавшихся во внутренней части Солнечной системы. Однако, исторически короткий период наших наблюдений за небесными явлениями не позволяет говорить, что эти данные полностью исчерпывают сведения о существующих в природе кометных телах. Велика вероятность того, что на окраинах Солнечной системы находится резервуар гигантских по размерам и массам комет, которые могли посещать окрестности Солнца задолго до нашего появления. Вполне возможно, что именно об этом говорят некоторые загадочные образования на поверхности таких безатмосферных тел, как Луна или Меркурий, способных сохранять следы самых древних событий в истории планет.

Наблюдения нескольких последних лет обнаружили более 30 объектов, названных транснептуновыми. Размеры этих тел, предположительно имеющих сходство с ядрами комет, превосходят 100 км. Согласно общим оценкам, вытекающим из подобных результатов, на расстоянии между 30 и 50 а.е. от Солнца находится около 70000 тел с размерами от 100 до 400 км.

На последовательности, представленной на рис. 1, эти гипотетические объекты заняли бы промежуток между наиболее крупными из известных комет и ледяными спутниками планет-гигантов, располагаясь несколько выше астероидов аналогичного размера.

Движение тел Солнечной системы

Соотношение расстояний и периодов обращения планет вокруг Солнца определяется известным третьем законом Кеплера, согласно которому квадраты периодов пропорциональны кубам больших полуосей относительных орбит. Рис. 4 иллюстрирует эту основную закономерность в строении Солнечной системы.

Рис. 4. Соотношение расстояний и периодов обращения планет (третий закон Кеплера).

Другой фундаментальной особенностью строения Солнечной системы является то, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, осевое вращение которых противоположно солнечному. Существует корреляция между массой планеты и скоростью осевого вращения. В качестве примеров достаточно упомянуть Меркурий, сутки которого составляют около 59 земных суток, и Юпитер, который успевает сделать полный оборот вокруг своей оси менее, чем за 10 часов. Примерно с тем же периодом обращается вокруг своей оси Сатурн. Сутки Урана и Нептуна составляют соответственно 17 и 16 часов. А период осевого вращения Плутона равен примерно 6 земным суткам. Необычно вращение Венеры. При массе, примерно равной массе Земли, Венера вращается вокруг своей оси с периодом в 243 суток. В сочетании с продолжительностью периода обращения Венеры вокруг Солнца (225 суток) вращение этой планеты оказывается ретроградным, то есть противоположным по направлению вращению Солнца и большинства планет.

Принципиально важным для понимания физических процессов в Солнечной системе является резкая диспропорция в распределении массы и момента количества движения между Солнцем и планетами. Хотя основная масса вещества Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце, 98% момента количества движения (произведения массы на скорость и радиус вращения) приходится на долю планет. При этом обнаруживается, что объединенные вместе планеты земной группы, а также объединенные в одну группу астероиды и каждая из планет-гигантов подчиняются единой зависимости момента количества движения J (гхсм²/с) от массы М (г). Эту зависимость, показанную на рис. 5, можно представить выражением:

J = 7,6 M^4/5 .

Рис. 5. Соотношение момента количества движения и массы
отдельных планет или группы тел Солнечной системы.

Исключением является Солнце, собственный период вращения которого не соответствует общей тенденции и при огромной массе составляет более 25 суток. Другим исключением является опять-таки экзотическая пара Плутон-Харон, происхождение и само существование которой остаются загадочными. Место группы кометных тел определилось значениями совокупных характеристик, принятых на основе известных в настоящее время данных. То, что положение этой группы не согласуется с общей зависимостью, говорит прежде всего о несовершенстве наших знаний о кометах и об их истинном месте в Солнечной системе.

Место мелких осколков вещества - метеоритов и космической пыли на диаграмме (рис. 5) определить сложно, поскольку эти объекты заполняют всю Солнечную систему. Вторгаясь в земную атмосферу, мелкие частицы порождают такие явления, как отдельные метеоры и целые метеорные ливни. Концентрация пылевых частиц около Земли ответственна за явление зодиакального света - свечения неба вдоль направления, соответствующего проекции плоскости эклиптики на небесную сферу. В окрестностях планет-гигантов мелкие фрагменты вещества и космическая пыль существуют в форме колец. Наиболее известны кольца Сатурна, обнаруженные в XVII веке при первых наблюдениях с простейшими телескопами. Уже в наше время были открыты аналогичные по природе, хотя и не столь массивные, кольца Юпитера, Урана и Нептуна.

На рис. 1 приведены результаты лишь отдельных оценок параметров метеоритов и космической пыли, показывающие общую тенденцию. В действительности эта область должна быть заполнена бесчисленным количеством точек, которые образуют непрерывную последовательность.

Если значения моментов количества движения в Солнечной системе соотнести с массой, т.е. получить удельное значение J, получится, что эта величина для планет в среднем в 35000 раз больше, чем для Солнца. Исчерпывающего объяснения данному факту еще не получено. Возможно, что ответственным за перенос момента количества движения может быть магнитное поле Солнца, пронизывающее всю нашу планетную систему.

Химический состав тел Солнечной системы

Вещество, из которых сложены тела Солнечной системы, можно условно разделить на три группы. Во-первых, это горные породы, состоящие из различных минералов, которые нам хорошо известны на Земле. Современные знания позволяют прогнозировать характер глубинных пород, из которых состоят земные недра. Анализ доступного в настоящее время внеземного вещества показал его общее подобие веществу земному по химическому и минералогическому составу. Основными минералообразующими элементами во всех случаях являются кремний, железо, алюминий, магний и титан в окисленном состоянии, то есть при значительном включении кислорода в химические соединения. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. Условно эту группу можно назвать "земным веществом".

Углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород, входящий в некоторые химические соединения, составляют распространенную группу планетных летучих веществ. В виде газов эти элементы образуют атмосферы отдельных планет или крупных спутников. Но чаще летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твердом состоянии, то есть в виде льда. Поэтому эту группу назовем условно "льдами".

Наконец, такие газы, как водород и гелий, наиболее обильно встречающиеся на Солнце, с небольшими примесями неона, аргона и некоторых других элементов отнесем к группе "солнечного вещества". Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К.

Гистограмма на рис. 6 примерно показывает относительное содержание перечисленных групп вещества в химическом составе основных тел Солнечной системы. Группа 1 ("земное вещество") на 99% и более образует планеты земного типа, астероиды и отдельные спутники (например, Луну). Большая часть спутников, относящихся к системам планет-гигантов состоят в основном из "льдов" (группа 2) с некоторой примесью "земного вещества". Те же составляющие, но в другой пропорции, характерны для комет. Юпитер и Сатурн в основном состоят из "солнечного вещества (группа 3), с примесями "льдов" и "земного вещества". Для Урана и Нептуна основным веществом, их образующих, являются "льды".

Рис. 6. Относительное содержание различных типов вещества в телах Солнечной системы.

Наблюдаемое в настоящее время распределение химического состава с учетом характерных значений критических температур позволяет сделать заключение о первоначальном распределении в протопланетном околосолнечном облаке, которое определяло условия формирования различных тел Солнечной системы.

Ранние стадии развития планет

Для первых сотен миллионов лет в истории Солнечной системы решающим фактором формирования планет и спутников была астероидная и кометная бомбардировка. Достаточно сказать, что современное "лежачее" положение Урана, ось вращения которого наклонена к эклиптике на 98⁰, по-видимому, является результатом столкновения с достаточно крупным телом.

В этот период на Земле и других планетах земного типа формировалась первичная кора. В настоящее время на нашей планете не сохранилось каких-либо следов той эпохи. Вместе с тем, на малых телах, остановившихся на ранних стадиях своего развития, можно обнаружить хорошо отождествляемые признаки первичной коры, которые, например, наблюдаются на Луне, Меркурии и, частично, на Марсе.

На рис. 7 дана схема возраста и продолжительности в млрд. лет глобальных вулканических и тектонических процессов на поверхности Луны и планет земной группы, характеризующих историю эволюции этих тел. Для Земли и Луны временные границы эпох определены по измеренным значениям возраста образцов пород, относящихся к соответствующим периодам. Возраст соответствующих формаций на Марсе определен по кратерной статистике. При этом рассматривались только глобальные образования. Такие отдельные формы рельефа, как например, гора Олимп имеют более молодой возраст - несколько сотен миллионов лет. Шкала абсолютного возраста для планетарных формаций на Меркурии получена также по кратерной статистике в предположении соответствия метеоритного потока на поверхность Меркурия и на поверхность Луны в аналогичные геологические эпохи. Стратиграфические системы (т.е. описание последовательности залегания геологических образований разного возраста) поверхностных структур Венеры, и шкала абсолютного возраста для них носят предварительный характер. Однако, по оценке специалистов они адекватно отражают общий характер геологической истории планеты.

Рис. 7. Возраст и продолжительность глобальных процессов
преобразования поверхностей планет земной группы и Луны.

Следы наиболее ранних процессов планетной эволюции, протекавших более 4,0 млрд. лет назад, проявляются в древних формах рельефа на Меркурии, Луне и Марсе. По современным представлениям механизм переноса тепла в недрах Луны, Меркурия и Марса в основном происходил в виде конвекции. Наглядным примером является многофазное формирование лунной коры, при котором более поздние слои выплавлялись из мантии в виде глобальных лавовых потоков, перекрывая уже существовавшие формы рельефа. При весьма близком внешнем сходстве Луны и Меркурия (сильно кратерированная поверхность, лавовые поля и т.п.), должно существовать принципиальное отличие в глобальных процессах, поскольку установлено, что по внутреннему строению Меркурий отличается от Луны огромным ядром. Радиус ядра Меркурия составляет около 75% от радиуса планеты, что соответствует 42% объема (у Луны ядро занимает только 4% объема). В сочетании с высокой средней плотностью Меркурия (5,3 г/см³ ) это отличие пока ждет своего объяснения.

Некоторые геологические структуры на Марсе носят очевидные признаки длительного конвективного кругооборота в недрах планеты. Из трех небольших по размерам тел земной группы Марс обладал наиболее длительным периодом глобальной эндогенной (внутренней) активности. Если подобные процессы на Меркурии и Луне прекратились на рубеже 3,0 - 2,5 млрд. лет назад, на Марсе они продолжались еще около одного миллиарда лет (см. рис. 7).

Современная поверхность Венеры имеет очень молодой возраст - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Следы более древних формаций практически не сохранились (95% этих образований уничтожены поздними наслоениями). Современный процесс потери эндогенного тепла на Венере, по-видимому, подобен лунному, то есть происходит с использованием теплопроводности пород мантии и коры. Но природа более раннего механизма этих процессов остается неизвестной. Возраст поверхности Венеры ближе всего к возрасту земной поверхности. Однако, обладая иной тепловой историей Венера сформировала принципиально другую среду - значительно отличающийся от земного химический состав атмосферы, высокие значения давления и температуры у поверхности.

Процессы формирования вторичной планетной коры можно проследить по их следам на Луне, где вторичная кора образовалась в результате плавления пород верхней и средней мантии. Несмотря на то, что по объему вторичная кора на Луне составляет лишь 1% от общего объема современной лунной коры, эта структура хорошо выражена в глобальных формах рельефа.

Возвышенные плато на Марсе по своим размерам близки к земным континентам и возвышаются на 4 - 6 км над средним уровнем (средним радиусом) планеты. Если бы на Марсе существовала гидросфера подобная океанам Земли, эти области оказались бы выше уровня моря, превратившись в материки. Поскольку появление возвышенных плато на Марсе является следствием длительного конвективного кругооборота в его недрах, не исключено, что этот же процесс мог развиваться и в недрах Земли на определенной стадии ее развития.

О процессах формирования третичной планетной коры, которой является континентальная кора Земли, дают понятия некоторые структуры рельефа, существующие на Венере. Остается пока неизвестным, как возникла на Земле "тектоника плит", существующая в настоящее время. Согласно этой концепции твердая оболочка планетного тела представляется как система взаимодействующих между собой отдельных жестких плит. Именно на границах плит наиболее часто происходят события, относящиеся к сейсмической, тектонической и вулканической активности. На той части Меркурия, которая известна в настоящее время, присутствуют признаки некоторого глобального тектонического процесса. Дальнейшее изучение покажет, насколько идентичными могут оказаться тектонические процессы, отразившиеся в застывших формах Меркурия, и явления глобальной тектоники, имевшие место в геологической истории Земли.

Ударные процессы в Солнечной системе

Уникальное образование, относящееся к эпохе завершения процесса дифференциации планетных тел (разделения недр на ядро, мантию и кору), обнаружено на обратной стороне Луны. Речь идет о гигантской многокольцевой впадине (или бассейне) вблизи южного полюса. Диаметр внешнего кольца этой структуры достигает 2500 км, что в 1,4 раза больше лунного радиуса. По данным измерений высот на снимках, полученных автоматическими станциями серии "Зонд" (1968 - 1970 гг.), глубина впадины достигает 10 - 12 км относительно окружающего материка. По результатам лазерной альтиметрии с борта спутника Луны "Клементина" (1994 г.) средняя разница высот между гребнем внешнего вала и дном этой многокольцевой структуры превышает 13 км.

На рис. 8 приведен снимок, полученный космическим аппаратом "Галилео" во время пролета мимо Луны. Вблизи западного лимба жирной линией показаны примерные границы впадины.

Рис. 8. Примерные границы гигантской впадины вблизи южного полюса Луны.
Снимок получен с борта космического аппарата "Галилео".

Внутри кольца уместились такие довольно крупные образования более позднего происхождения как кратеры Аполлон (диаметр 491 км), Шредингер (320 км), Планк (355 км) и даже небольшое Море Мечты. Судя по количеству мелких кратеров на единицу площади внутри впадины, время его образования относится к раннему периоду лунной истории. Оценки этого возраста сходятся на периоде между 4,3 и 3,9 миллиарда лет.

Спектрозональные изображения, полученные на основе снимков, сделанных космическими аппаратами "Галилео" и "Клементина", обнаружили внутри впадины область мафических (темных) глубинных пород диаметром около 1400 км. Поверхностные породы в этой области выделяются аномально ни