Эволюция Вселенной

Основные концепции космологии. Вселенная — самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста» (Быт., 1, 2), — так сказано в Библии. Вначале был вакуум — уточняют современные физики. Каковы истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания 176

XX в. не позволяют дать полностью исчерпывающие ответы. В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина:

«Мы, возводя соборы космогоний, Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнания».

Тем не менее принято считать, что основные положения современной космологии — науки о строении и эволюции Вселенной — начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888—1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна расширяться либо сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон — закон Хаббла:

скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т.е.

V=Hr,

где Н — постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшает
ся — разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблю
даемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной по
стоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из ре
зультатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увели
чивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен
3, 3 светового года; световой год — это расстояние, проходимое светом в
вакууме за один земной год). При данной скорости экстраполяция к про
шлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд.
лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредото
чена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плот
ность вещества Вселенной была сравнима с плотностью атомного ядра и
12-3290 177

вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта — граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас еще не дошла — мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 10²⁶ м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза — гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из нее следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т.е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX в. Г.А. Гамовым (1904—1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следуют два вывода:

1) вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в ос
новном из водорода (75%) и гелия (25%);

2) в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромаг
нитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Все
ленной, и поэтому названное реликтовым.

С развитием астрономических средств наблюдения, и в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933) и Р. Вильсон (р. 1936) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое из-

лучение — это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи — кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

Образование объектов Вселенной. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет несколько световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного количества энергии, пока неясно.

Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и активными ядрами некоторых галактик. Квазары — весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем, что обусловливается конечной скоростью распространения электромагнитного излучения, в том числе и света. Хотя скорость света велика — около 300 тыс. км/с, но даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет. Мы наблюдаем объекты Вселенной — Солнце, планеты, звезды, галактики — в прошлом. Причем различные объекты — в разном прошлом. Например, Полярную звезду — такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн. лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики с ак
тивными ядрами в среднем расположены ближе. Следовательно, они при
надлежат к объектам более позднего поколения, т.е. образовались после
рождения квазаров. Возникает вопрос: не являются ли квазары протояд-
рами будущих галактик, теми «зародышами», вокруг которых впоследст
вии сформировались десятки и сотни миллиардов звезд — звездные ост
рова Вселенной? При попытке ответить на эти вопросы родилась гипоте
за о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некото
рая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме,
12* 179

критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа — гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излучение черной дыры оказывается «запертым» гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение. На рис. 5.1 изображена воображаемая картина прохождения лучей вблизи черной дыры. Луч, проходящий на близком расстоянии от нее, поглощается, а более отдаленные лучи искривляются.

Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной происходит различными путями. Например, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вследствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры. 180

Результаты наблюдения галактики М—87 позволяют предполагать, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд. солнечных масс. Похожие результаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигантские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования пока неизвестной природы. Существование черных дыр следует из общей теории относительности, и об их астрономическом открытии говорить не приходится. Совершенно другой точки зрения на данную проблему придерживаются известный российский специалист в области квантовой теории поля, выдающийся ученый, академик РАН А.А. Логунов и его последователи. Исходя из понимания гравитации как проявления реального физического поля, а не как следствия искривления пространства — времени согласно общей теории относительности, ученые находят логическое объяснение наблюдаемым в мегамире явлениям, не прибегая к понятию черной дыры.

Сравнительно недавно основные положения космологии базировались на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгущаются в звезды и т.д. Однако наблюдения последних десятилетий свидетельствуют и о другом: в развитии материи во Вселенной играют определенную роль и нестационарные процессы, в частности взрывные процессы. Можно предполагать, что нестационарные процессы представляют собой своеобразные поворотные пункты в развитии космических объектов, где совершаются переходы из одного качественного состояния в другое, образуются новые небесные тела — происходит самоорганизация Вселенной.

Вопрос об образовании космических объектов в результате нестационарных процессов и о самоорганизации Вселенной еще окончательно не решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествознания состоит в том, чтобы установить, в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Вселенной. Видимо, это было состояние чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений, происходящих при столь высокой плотности, современные фундаментальные физические теории, к сожалению, не применимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для процессов микромира. А теории, которая объединяла бы их, пока нет — ее предстоит создать.

Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации, заключается в том, что первоначальный сгусток материи возник из физического вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось, — своеобразная форма материи, способная при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения.

Вселенная в широком смысле — это среда нашего обитания. Поэтому важное значение для практической деятельности человека имеет то обстоятельство, что во Вселенной господствуют необратимые физические процессы, что она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные и даже космические масштабы. И для того чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они могут внести в состояние среды нашего обитания, в том числе и космической, мы должны изучать не только земные явления и процессы, но и закономерности космического масштаба.

5.3. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

Глядя на усеянное звездами небо, человек приходит в восторг, не оставаясь равнодушным к созерцаемому. «Открылась бездна, звезд полна. Звездам числа нет, бездне — дна» — эти прекрасные строки М.В. Ломоносова, написанные на заре зарождения русской поэзии, образно и наиболее полно описывают первое впечатление, которое испытывает человек, любуясь завораживающей картиной звездного неба. Про звезды сложено множество стихов, песен. Звезды и бескрайнее небесное пространство всегда притягивали и притягивают всех: и самого обыкновенного человека, и поэта, и ученого. Но для ученых, естествоиспытателей звездное небо — не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный, неисчерпаемый объект исследований.

В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно наблюдать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть тех звезд и других космических объектов, из которых состоит Вселенная. Вселенная — это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика — охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта. 182

Структура Вселенной — предмет изучения космологии, одной из важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др. Главные составляющие Вселенной — галактики — громадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет Галактика содержит разреженный газ и космическую пыль.

Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой, и состоит примерно из 150 млрд. звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено наше Солнце.

Основное «население» галактик — звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды — раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд. раз. Если бы эту громадную звезду можно было поместить в центре нашей планетной системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет — Марса, Юпитера, даже Сатурна — оказались бы внутри такого сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые карлики меньше Земли и даже Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Так, если из вещества одного из наиболее плотных белых карликов можно было бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой гире, то на Земле такая гиря весила бы 4 тыс. т.

Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Диаметр такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц — нейтронов, составляет всего около 20—30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн. т/см³. По существу, нейтронная звезда — это громадное атомное ядро. Существование нейтронных звезд теоретически предсказано еще в 30-х годах XX в. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды быстро вращаются, и радиолуч каждой вращающейся звезды регистрирует

радиотелескоп как импульс радиоизлучения. Поэтому нейтронные звезды подобного типа называются пульсарами. Большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн. Иногда их называют радиопульсарами. Пульсары в Крабовидной туманности и ряд других излучают, кроме того, в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.

Звезды обладают различными поверхностными температурами — от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды — с температурой 3—4 тыс. градусов — красного цвета. Наше Солнце с поверхностью, «нагретой» до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды — с температурой выше 12 тыс. градусов — белые и голубоватые.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии — в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность. Так, на месте сверхновой звезды образовалась, например, Крабовидная туманность. Она является мощным источником излучения, что свидетельствует о продолжении происходящих внутри нее интенсивных процессов.

Звезды, составляющие нашу Галактику, движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью — около 250 км/с — движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за время больше 200 млн. лет.

Своеобразные звездные системы в виде небольших туманных пятен наблюдаются на небе Южного полушария. Они удалены от нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Впервые их подробно описал спутник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю астрономии под названием Магеллановых облаков — Большого и Малого. Радиоастрономические исследования последних десятилетий показали, что Магеллановы облака — это спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра.

На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика — Туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по своим размерам. Туманность Андромеды включает спутники — две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звезд. 184

По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые и неправильной формы галактики. Почти четверть всех известных галактик относится к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звезды — красные гиганты. К спиральным галактикам относятся наша Галактика, туманность Андромеды и многие другие. Галактики неправильной формы не имеют центральных ядер; закономерность распределения звезд в них пока не установлена. В созвездии Центавра наблюдается шаровая галактика, являющаяся источником радиоизлучения.

Наша Галактика, туманность Андромеды вместе с другими соседними звездными системами образуют Местную систему галактик. Она объединяет 16 галактик. Диаметр ее больше 2 млн. световых лет. Звездные острова, галактики — типичные объекты Вселенной. К настоящему времени известно множество звездных образований, которые таят в себе еще немало загадок.

5.4. СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ВСЕЛЕННОЙ

Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные излучения — электромагнитные волны и потоки частиц. В XX в. родились радиоастрономия и нейтринная астрономия. Первым вестником объектов Вселенной далеких миров был световой луч — электромагнитные волны в видимой части спектра излучения. Это не случайно: световое излучение воспринимается непосредственно — невооруженным глазом. Для наблюдения небесных тел пользуются специальными приборами — телескопами. Телескоп не увеличивает звезды и не приближает их, как это иногда ошибочно утверждают, а собирает свет с помощью объектива — двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Простейшая труба Галилея собирала в 144 раза больше света, чем невооруженный глаз. Сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской, один из крупнейших в мире телескоп с диаметром зеркала в 6 м собирает света в миллион с лишним раз больше. Это очень сложное уникальное техническое устройство. Состоит оно из 25 тыс. деталей. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом электронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с заданной программой и обработки полученных результатов. В последнее время вступили в строй телескопы с диаметром зеркала 8, 10 и 11 м. Современные телескопы снабжены спектрографами для изучения спектра излучения, по которому определяются химический состав и температура источника излучения.

Завершается строительство крупнейшей в мире системы оптических телескопов Европейской южной обсерватории на горе Сьерро-Параналь в чилийской пустыне Атакама. По суммарной площади зеркал эта система будет эквивалентна 17-метровому телескопу и по разрешающей способности примерно в десять раз превзойдет все современные телескопы.

Продолжается модернизация прославленной обсерватории Маунт Вилсон (штат Калифорния). На звездную вахту встанут шесть телескопов, каждый с зеркалом диаметром в 1 м. Они будут расположены попарно по трем различным направлениям. Предполагается, что компьютерная обработка информации позволит получить разрешение звездного изображения, доступное телескопу с зеркалом диаметром 400 м (это даже трудно себе представить!).

С появлением высокочувствительной радиоаппаратуры расширился диапазон исследования космического излучения. Радионаблюдение Вселенной не зависит от времени суток и погодных условий. Источниками космического радиоизлучения являются многие объекты Вселенной, в которых протекают бурные физические процессы. Принципы действия радиотелескопа и оптического телескопа во многом совпадают. Однако функцию объектива, собирающего космическое излучение, в радиотелескопе выполняют огромные антенны специальной формы. Один из крупнейших отечественных радиотелескопов (РАТАН) построен в 1977 г. в 40 км от 6-метрового оптического телескопа. Его кольцевая антенна диаметром 600 м состоит из 895 алюминиевых щитов-зеркал, каждый из которых может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, что позволяет наводить радиотелескоп на разные участки звездного неба.

Еще один вестник Вселенной — инфракрасные лучи. По длине волны они занимают промежуточное место между радиоволнами и видимым светом. Инфракрасные лучи обладают важным свойством: они проходят сквозь космическую пыль и межзвездный газ. Человеческий глаз не воспринимает инфракрасное излучение, нечувствительны к нему и обычные фотопластинки. Поэтому при фотографировании космических объектов в инфракрасном диапазоне применяют специальные фотоматериалы и электронно-оптические преобразователи.

Из глубин Вселенной поступают еще два вида сигналов: ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Для этих видов коротковолнового излучения земная атмосфера является препятствием. Такое излучение стало доступным для изучения лишь при появлении ракетной и космической техники. С помощью приборов, установленных на борту высотных ракет, удалось получить, например, ультрафиолетовый снимок Солнца. Рентгеновские телескопы на борту космических аппаратов зарегистрировали 186

излучение большого числа различных космических объектов и рентгеновское свечение всего неба — своеобразный рентгеновский фон.

К многообещающим источникам космической информации относится гамма-излучение. Энергия гамма-квантов значительно превосходит энергию фотонов видимого света. Для них Вселенная почти прозрачна. Они приходят к нам от весьма удаленных объектов и несут информацию о физических процессах в глубине Вселенной.

С развитием ядерной физики и физики элементарных частиц наметился еще один путь к разгадке сокровенных тайн Вселенной. Он связан с регистрацией космических нейтрино и лежит в основе нейтринной астрономии. Отличительная особенность нейтрино — чрезвычайно высокая проникающая способность. Регистрируя нейтринный поток с помощью детекторов, можно получить информацию о термоядерных процессах, протекающих в звездах.

С появлением космической техники открылась новая возможность исследования Вселенной. Созданный уникальный телескоп-спутник «Хаббл» позволил получить не только четкие изображения планет Солнечной системы, но и новые сведения о происходящих там процессах. На снимках, сделанных в 1996 г. с расстояния примерно 100 млн. км можно различить детали поверхности Марса размером не менее 25 км — такова разрешающая способность телескопа «Хаббл». Для сравнения: один из лучших наземных телескопов в мире, расположенный в обсерватории Маунт-Паломар (США) позволяет рассмотреть детали на Марсе размером 300—400 км. С помощью спутникового телескопа «Хаббл» удалось лучше рассмотреть кольца Сатурна и обнаружить кольцевые системы Юпитера, Урана и Нептуна. С поверхности Земли такие системы не видны — мешает замутненность атмосферы нашей планеты.

В настоящее время создается новый внеземной телескоп, который заменит «Хаббл» в 2006 г. Новый телескоп гораздо чувствительнее «Хабб-ла». Он сможет обнаружить в десятки раз более слабые объекты. Диаметр зеркала нового прибора — 8 м, а масса зеркала — всего 7 кг. Для сравнения: зеркало действующего телескопа «Хаббл» имеет диаметр 2, 4 м и весит 826 кг. В новой конструкции зеркальную поверхность образует слой золота, нанесенный на силиконовую пленку.

Ежедневная картина восхода Солнца вряд ли вызывает удивление. А можно ли наблюдать восход Земли? Оказывается, можно. Такую возможность представляют космические аппараты. Долгое время Земля казалась человеку необъятной и безграничной. Понадобились сотни, даже тысячи лет, чтобы разглядеть собственными глазами Землю из космоса, откуда представилась прекрасная возможность увидеть нашу планету всю, целиком, и откуда она больше не кажется нам необъятной и безграничной.

Таким образом, созданный во второй половине XX в. огромный арсенал средств астрономических наблюдений, наземных и космических, способствует дальнейшему раскрытию тайн Вселенной.

5.5. ПРОБЛЕМА ПОИСКА ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ

К настоящему времени известен только один очаг жизни и разума — планета Земля. Однако нельзя однозначно утверждать, что среди многих миллиардов звезд условия зарождения живой материи и ее длительной эволюции могли возникнуть только в одной точке Вселенной — в нашей Галактике, вблизи Солнца. Проблема поиска жизни, и особенно разумной, вне Земли в последние десятилетия приобретает естественно-научный характер. Вряд ли есть другая научная проблема, которая вызывала бы такой жгучий интерес и такие жаркие споры, как проблема связи с внеземными цивилизациями. Созываются научные конференции и симпозиумы, налаживается международное сотрудничество ученых, ведутся экспериментальные исследования. По меткому выражению писателя-фантаста Станислава Лема, проблема связи с внеземными цивилизациями подобна игрушечной матрешке — она содержит в себе проблематику многих отраслей естествознания.

Возможно, что среди множества звезд Вселенной найдутся десятки, а может быть и сотни таких, которые окружены обитаемыми планетами. Можно предполагать, что и перед другими цивилизациями, достигшими высокого уровня развития, как наша, встал тот же вопрос — как установить связь с другими разумными обитателями Вселенной? Кто знает, быть может и сейчас в направлении нашего Солнца кто-то посылает сигналы, на которые пока человечество отвечало молчанием! На какой же длине волны возможна такая передача? Скорее всего, в диапазоне радиоволн.

Вероятно, неведомые нам разумные существа могут жить на другой планете, окруженной атмосферой. Значит, они могут посылать радиосигналы в космос только через узкое «радиоокно» их атмосферы. Возможный диапазон радиоволн для «межзвездной» радиосвязи, по-видимому, ограничивается длинами от нескольких сантиметров до 30 м. Космические естественные источники излучения ведут постоянную интенсивную «радиопередачу» на волнах метрового диапазона. Чтобы она не создавала досадных помех, радиосвязь между обитаемыми мирами должна вестись на длинах волн не более 50 см. Более короткие радиоволны (в несколько сантиметров) не подходят, поскольку тепловое радиоизлучение планет происходит именно на таких волнах, и оно будет «глушить» искусственную радиосвязь. Родилась идея: радиосвязь целесообразно вести на волнах, близких к 21 см, которые излучает межзвездный водород, играющий 188

важную роль в изучении Вселенной. Водород — самый распространенный элемент в наблюдаемой нами части Вселенной, и его излучение на волне 21 см можно рассматривать как некий природный космический эталон.

С конца 1960 г. в Национальной радиоастрономической обсерватории США начались систематические «прослушивания» некоторых звезд с целью обнаружить искусственные радиосигналы. Для начала были выбраны две звезды, весьма похожие на Солнце. Это Тау из созвездия Кита и Эпсилон из созвездия Эридана. До каждой из них около одиннадцати световых лет. Прослушивание велось с помощью радиотелескопа с диаметром зеркала 26 м. Однако космос безмолвствовал. Впрочем, надеяться на быстрый успех было бы слишком наивно. Пройдут годы, а может быть многие десятилетия, прежде чем удастся принять искусственные радиопередачи из глубин Вселенной. Да и расшифровав полученные радиосигналы и послав в ответ свои, мы не можем ожидать быстрого, оперативного разговора. Наши вопросы и их ответы будут распространяться со скоростью света, а это значит, что от посылки до получения ответа пройдут десятилетия и даже столетия. К сожалению, разговор ускорить невозможно — в природе нет ничего быстрее радиоволн.

В США обсуждается проект по созданию комплекса для приема внеземных радиосигналов, состоящего из тысячи синхронных радиотелескопов, установленных на расстоянии 15 км друг от друга. В сущности, такой комплекс подобен одному исполинскому параболическому радиотелескопу с площадью зеркала 20 км². Проект предполагается реализовать в течение ближайших 10—20 лет. Стоимость намеченного сооружения поистине астрономическая — не менее 10 млрд. долл. Проектируемый комплекс радиотелескопов позволит принимать искусственные радиосигналы в радиусе 1000 световых лет. В таком огромном космическом пространстве содержится свыше миллиона солнцеподобных звезд, часть которых, возможно, окружена обитаемыми планетами. Чувствительность проектируемой системы чрезвычайно высока. Если бы вокруг ближайшей к нам звезды Альфа Центавра обращалась планета, подобная Земле (с таким же уровнем развития радиосвязи), то такая система сможет уловить посылаемые от нее радиосигналы.

Жажда общения с внеземным разумом так сильна, что все технические и временные трудности кажутся преодолимыми. К тому же разумные наши собратья могут оказаться и по соседству с нами. Вселенная беспредельна в своем многообразии, среди бесчисленного множества звездных и планетных систем могут встретиться такие планеты, физические условия на которых создали предпосылки для зарождения и развития жизни. Но какой жизни? Такой, как у нас на Земле, или отличающейся от нее? И в состоянии ли мы сразу распознать живую материю, не родствен-

ную нам? Еще более сложен вопрос о внеземных разумных существах. Если они есть, то сможем ли мы их понять? Конечно, не исключена вероятность возникновения на других планетах не известных нам цивилизаций. Мы знаем только живую материю, зародившуюся на нашей планете. Может быть, в безграничном пространстве Вселенной существует множество других совершенных и сложных форм движения и организации материи, о которых мы даже не подозреваем. Проблема внеземных цивилизаций представляет интерес не только с точки зрения их обнаружения, но и для более глубокого исследования закономерностей процессов развития материальных систем на нашей планете.

5.6. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА — ЧАСТЬ ВСЕЛЕННОЙ

Происхождение и структура Солнечной системы. В центре Солнечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются девять больших планет вместе со своими спутниками, множество малых планет — астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон (рис. 5.2). Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны, как яркие светящиеся диски небольших диаметров и известны людям с древних времен.

На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной сис-

темы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными — для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород.

К настоящему времени известны различные гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе и предложенные независимо немецким философом И. Кантом (1724—1804) и французским математиком и физиком П. Лапласом (1749—1827). Точка зрения И. Канта заключается в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело — Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты, которые образовались раньше Солнца. Однако, несмотря на различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи — Солнечная система возникла в результате превращения туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта—Лапласа.

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Подобная точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891—1956). По его мнению, планеты образовались в результате объединения пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло из 98% водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела они присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на

протяжении миллиардов лет. В соответствии с данной гипотезой Солнце образовалось раньше планет. По современным оценкам возраст Солнца не менее 5 млрд. лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5, 5 г/см³, что в 5, 5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным, а Юпитера — 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. По-видимому, они не имеют твердой поверхности в отличие от планет земной группы. Особое место занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она близка к планетам земной группы. Сравнительно недавно обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

Солнце. Центральное тело нашей планетной системы — Солнце — ближайшая к Земле звезда, представляет собой раскаленный плазменный шар, гигантский источник энергии мощностью около 3, 86 10²³ кВт. Ежесекундно Солнце излучает такое количество тепла, которого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной в тысячу километров, окружающий земной шар. Солнце играет исключительно важную роль в возникновении и развитии жизни на Земле, на которую попадает лишь незначительная часть его энергии, в то же время достаточная для поддержания газообразного состояния земной атмосферы, нагревания поверхностей суши и водоемов и обеспечения жизнедеятельности животных и растений. Существенная часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и природного газа.

Предполагается, что в недрах Солнца при огромных температурах — около 15 млн. градусов — и гигантском давлении протекают термоядерные реакции синтеза, сопровождающиеся выделением чрезвычайно большого количества энергии. Одной из возможных реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн. т водорода преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция не прекратится до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода, составляющие в настоящее время около 60% массы Солнца. Таких запасов должно хватить, по меньшей мере, на несколько миллиардов лет. 192

Почти вся энергия Солнца выделяется в его центральной части, откуда переносится излучением и во внешний слой передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца — фотосферы — около 6000 К. Солнце — источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Интенсивность невидимых излучений существенно меняется и зависит от уровня солнечной активности. Наблюдаются циклы солнечной активности с периодом в 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности Солнца, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т.д. Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу, включающую животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека.

Луна. Подобно тому как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна — естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, ее диаметр составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать плотную, как на Земле, атмосферу и сохранить на ее поверхности воду.

Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным породам — базальтам. Лунные породы отличаются от земных по содержанию оксидов, железа (более 25%) и титана (до 13%). Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры метеоритного происхождения.

В 1959 г. поверхности Луны впервые достигла советская автоматическая станция «Луна-2». С того времени начался новый этап ее исследования. Получена интересная информация о составе и структуре лунных пород. По предварительным оценкам, возраст лунных пород — 2, 6—4 млрд. лет. Температура лунной поверхности — 100—400 К. Луна находится на среднем расстоянии от Земли 384 400 км. Преодолев такое огромное расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые ступил на поверхность Луны — сбылась давняя сказочная мечта человечества.

Планеты земной группы. Планеты этой группы: Меркурий, Венера,
Земля, Марс, — хотя и похожи друг на друга, но все же каждая из них
имеет свои неповторимые особенности. Характерные параметры планет
земной группы представлены в табл. 5.1.
13 — 3290 ¹⁹³

Среднее расстояние в табл. 5.1 дано в астрономических единицах (а.е.); 1 а.е. равна среднему расстоянию Земли от Солнца (1 а.е.= 1, 5 • 10⁸ км). Самая массивная из этих планет — Земля: ее масса 5, 89 • 10²⁴ кг. Планеты земной группы существенно отличаются друг от друга составом атмосферы и физическими параметрами у поверхности (табл. 5.2).

Меркурий — самая малая планета в земной группе — не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для атмосферы Земли, Венеры, Марса. Атмосфера Меркурия крайне разрежена и содержит в основном Ar, Ne, He. Из табл. 5.2 видно, что земная атмосфера отличается относительно большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым существует биосфера и развивается жизнь. Атмосфера Венеры и Марса содержит сравнительно много углекислого газа и мало кислорода и паров воды — все это характерные признаки безжизненных планет. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых организмов. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм жизни на Марсе в отдаленном прошлом. Результаты исследований последних лет показывают, что вопреки прежним представлениям Марс, как и наша планета, обладает дифференцированной корой с высоким содержанием алюминия, кремния и калия, но с пониженным содержанием магния. 194

Планеты Меркурий и Венера не имеют спутников. Естественные спутники Марса — Фобос и Деймос.

Планеты-гиганты. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. Юпитер — пятая по удалению от Солнца и самая большая планета Солнечной системы — находится на среднем расстоянии от Солнца 5, 2 а.е. Он является мощным источником теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой, имеет 28 спутников и два кольца, одно из которых шириной около 60 тыс. км.

Сатурн — вторая по величине планета Солнечной системы. Он имеет кольца, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему из мелких камней, льдинок размером до 10—20 м. Сатурн имеет 30 спутников и радиационные пояса.

Уран — седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Он имеет систему колец. Вокруг него обращаются 16 спутников: 6 из них обнаружены при наблюдении с Земли, а остальные — с помощью космических аппаратов.

Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет имеет 8 спутников. Период его обращения — 164, 8 г. Нептун находится на сравнительно большом расстоянии от Земли (около 30 а. е.), что ограничивает возможность его детального исследования.

Современные астрономические средства наблюдений, в том числе космические аппараты, открывают большие возможности дальнейших исследований не только планет-гигинтов, но и всей Солнечной системы изученной части Вселенной.

5.7. ЗЕМЛЯ — ПЛАНЕТА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Происхождение Земли. Особое место в Солнечной системе занимает Земля — единственная планета, на которой в течение миллиардов лет развиваются различные формы жизни. Известно несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они сводятся к тому, что исходным веществом для формирования планет Солнечной системы, в том числе и Земли, были межзвездная пыль и газы. Однако до сих пор нет однозначного ответа на вопросы: каким образом в составе планет оказался полный набор химических элементов таблицы Менделеева и что послужило толчком для начала конденсации газа и пыли в протосолнечную туманность. Некоторые ученые предполагают, что появление разнообразия химических элементов связано с внешним фактором — взрывом Сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. По-видимому, в недрах и газовой оболочке сверхновой звезды в результате ядерных реакций происходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез). Мощный взрыв своей ударной волной мог стимулировать начало конденсации межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и протопланет-ный диск, впоследствии распавшийся на отдельные планеты внутренней и внешней групп с поясом астероидов между ними. Такой путь начальной

13* 195

стадии формирования Солнечной системы называется катастрофическим, так как взрыв Сверхновой звезды — природная катастрофа. В масштабах астрономического времени подобные взрывы — не столь уж редкое явление — они происходят в среднем через несколько миллиардов лет.

Предполагается, что образованию планет из протоплазменного диска предшествовала промежуточная фаза формирования твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетезималями; последующее их скопление и соударение вызвало аккрецию (наращивание) планеты, которая сопровождалась изменением гравитационных сил.

Есть противоположные мнения о тепловом состоянии Земли на разных стадиях ее развития. Вопреки гипотезе Канта—Лапласа об огненно-жидком исходном состоянии Земли, в первой половине XX в. обсуждалась идея об изначально холодной Земле, недра которой в дальнейшем стали разогреваться вследствие тепла, выделяемого при распаде естественных радиоактивных веществ. Однако в этой концепции не учитывалось выделение тепла при аккреции и особенно при соударении планете-зималей больших размеров. Возможно, существенный разогрев Земли вплоть до температуры плавления ее вещества произошел уже на стадии аккреции. Предполагается, что при таком разогреве начиналась дифференциация вещества Земли на несколько оболочек и прежде всего на силикатную мантию и железное ядро. При этом нельзя исключать и радиоактивный источник тепла. Выделявшееся тепло повлекло за собой образование газов и водных паров, которые, выходя на поверхность, и формировали воздушную оболочку — атмосферу и водную среду нашей планеты.

Радиоактивным методом установлено, что возраст самых древних пород, найденных в земной коре, составляет около 4 млрд. лет. По оценкам некоторых ученых, формирование Земли длилось 5—6 млрд лет. Понадобились миллиарды лет, чтобы образовалась наша планета — Земля. Земной шар, сплюснутый у полюсов, вращаясь вокруг собственной оси, движется со средней скоростью около 30 км/с в космическом пространстве по эллиптической траектории вокруг Солнца.

Наша Земля удивительна и прекрасна. Такой ее представляли и представляют многие люди. Особенно прекрасной она выглядит из космоса, где впервые побывал советский космонавт Ю.А. Гагарин (1934—1968), совершивший 12 апреля 1961 г. первый в истории человечества полет на космическом корабле «Восток».

Строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Земную кору покрывают гидросфера — жидкая оболочка (она не сплошная) и атмосфера — газовая оболочка. Наша планета до сих пор хранит еще 196

множество тайн. Проникнуть глубоко внутрь нее даже сегодня не так легко. Глубина современных шахт — всего лишь несколько километров. Самая глубокая скважина в мире пробурена в 1994 г. в России на Кольском полуострове, ее глубина — 12 262 м. Основные сведения о строении Земли, химическом составе ее пород и т.п. добываются косвенными методами, в частности при исследовании колебаний земной коры в процессе землетрясений и анализе химического состава вулканической массы.

Твердая оболочка Земли делится на две основные части: верхнюю — земную кору и нижнюю — мантию. Средняя толщина земной коры — несколько десятков километров. На материках она равна 30—40 км, под Памиром и Андами — 70—80 км, а под океанами — не более 10 км. Поверхностный слой земной коры на континентах сформировался в основном из осадочных пород. В нем сохранились останки вымерших животных, когда-то населявших Землю, и фрагменты погибших растений.

Самая глубинная часть Земли — ядро. Его радиус — около 3, 5 тыс. км. Оно состоит из внешней оболочки в жидком состоянии и внутреннего твердого субъядра. Температура в центре ядра — примерно 5000°С, плотность вещества ядра — 12, 5 т/м³. По химическому составу субъядро похоже на железный метеорит, содержащий около 80 % железа и 20 % ни- ' келя. Внешняя оболочка ядра содержит 52 % железа и 48 % смеси железа с серой. Согласно одной из гипотез, в результате циркуляции потоков расплавленных металлов во внешней оболочке ядра возникает магнитное поле Земли.

Между ядром и земной корой находится мантия — самая массивная часть Земли, составляющая около 83 % ее объема. Температура мантии — 2000—2500 °С. Вещество мантии содержит различные силикаты — соединения, включающие кремний. Происходящие в ней процессы обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую активность.

Верхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосферу — внешнюю сферу твердой части Земли. В соответствии с гипотезой новой глобальной тектоники — науки о развитии структуры земной коры — литосфера состоит из крупных плит, перемещающихся в горизонтальном направлении по астеносфере — подстилающем литосферу слое пониженной твердости и вязкости в верхней мантии Земли. Литосферные плиты — это крупные (до нескольких тысяч километров в поперечнике) блоки земной коры, включающие не только континентальную, но и сопряженную с ней океаническую кору. На границе их находятся сейсмические, тектонические активные зоны разломов. Из-за смещений литосферных континентальных плит высота, например, Эвереста увеличивается на 2, 5—5 см ежегодно.

Как уже отмечалось, температура ядра и мантии очень высокая — тысячи градусов. Казалось бы, все вещества при такой температуре должны находиться в расплавленном и даже газообразном состоянии. Однако субъядро и мантия — твердые образования: вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении.

Как только давление ослабевает, твердые породы расплавляются. Образуется жидкая раскаленная масса — магма. При перемещении вещества в земной коре возникают глубокие трещины с пониженным давлением, где образуется очаг с магмой. Сжатая со всех сторон магма растекается по трещинам, застывая в них в виде жил, а в некоторых местах она прорывается наружу. Так возникает вулканическое извержение. Вулкан — это своеобразная природная домна, в которой плавится и выбрасывается на поверхность много ценных химических соединений и металлов: железо, свинец, олово, алюминий и т.п. Придет время, и человек будет использовать такие богатства. В результате вулканической деятельности меняется форма рельефа, гор, возникают острова и озера. Так образовалось, например, в 1911 г. Сарезское озеро в самом центре Памира. Глядя на необыкновенной красоты действующий вулкан Фудзияма (Япония), можно сказать, что он обладает некой неземной притягательной силой.

Земная кора — сокровищница разнообразных полезных ископаемых: каменного угля и нефти, газа, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и т.д. Месторождения каменного угля сформировались в те отдаленные времена, более 200 млн. лет назад, когда на Земле были благоприятные условия для развития растительности. Этот период в геологической истории нашей планеты называется каменноугольным. Во влажном и жарком климате необычно разрасталась вечнозеленая растительность, из которой образовались торфяники, превратившиеся потом под действием давления и высокой температуры земных недр в пласты каменного угля. В этот период сформировались каменноугольные бассейны Караганды, Донбасса и др.

Предполагается, что нефть также имеет органическое происхождение: она образовалась из погибших низших растений и животных организмов — водорослей, амеб, червей, личинок и т.д. Огромны запасы в недрах Земли горючих углеводородных газов, широко используемых как топливо и природное сырье для производства многочисленных органических материалов. Богата наша Земля и ископаемыми минеральными удобрениями — «камнями плодородия». Главные среди них — минералы, содержащие калий и фосфор — питательные вещества для растений. При внесении их в почву повышаются урожаи зерновых, овощей, хлопка и других культур.

Совокупность всех водных массивов земного шара — океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных покровов — образует гидросферу Земли. Часто под гидросферой подразумеваются только океаны и моря. Действительно, больше всего воды содержится в Мировом океане, около 2 % ее — в ледниках. Много воды под землей. Для своих нужд человек использует главным образом воду рек и пресных озер, которой на Земле чрезвычайно мало — 0, 001 % всего водного массива. Вот почему проблема сохранения водных ресурсов — одна из важнейших.

Мировой океан — основная часть гидросферы. В течение года с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 тыс. км³ воды. Большая часть ее — около 90 % — затем выпадает в виде осадков над поверхностью океанов и морей, а остальная влага осаждается на суше и потом реками выносится в океан, уходит под землю, консервируется в ледниках. Такой непрерывный круговорот воды оказывает большое влияние на климат и обмен веществ на всей нашей планете. Водяные пары, находясь в воздухе, задерживают в атмосфере тепло Земли. Чем больше испаряется воды, тем мягче климат. Различают континентальный и морской климат. На территории с морским климатом сезонные колебания температуры значительно меньше, чем там, где преобладает континентальный климат. Мировой океан образно называют печкой планеты. В теплый сезон года большая масса океанской воды согревается медленнее суши и поэтому охлаждает воздух, а зимой наоборот: теплая вода океана согревает холодный воздух. Причина этого явления — большая теплоемкость воды. Основная доля солнечного тепла поглощается морями и океанами.

Ежедневно в любую погоду происходят морские приливы и отливы. Наибольшие приливы наблюдаются в Англии в устье реки Северн (разница между уровнями воды при приливе и отливе составляет до 16, 3 м). Первое научное объяснение морских приливов дал Ньютон. Он доказал, что приливы обусловливаются силой притяжения Луны. Приливы и отливы происходят не только в водной оболочке Земли, но и в твердой, и в воздушной. Под действием сил притяжения Луны даже твердая оболочка нашей планеты дважды в сутки поднимается и опускается на несколько десятков сантиметров.

Реки земного шара ежегодно сбрасывают в моря около 35 тыс. м воды, причем наибольший сток — с Азиатского материка. Второе место занимает Южная Америка — одна Амазонка выносит в океан десятую часть воды всех рек планеты.

Важную роль в жизни людей и их хозяйственной деятельности играют атмосферные осадки. Однако распределение их наземном шаре весьма неравномерно: в одних местах — избыток, а в других — недостаток. Поэтому важно научиться управлять распределением осадков. Управлять

таким процессом все же удается, правда, в небольших масштабах, например, при необходимости над территорией аэропорта или города «прояснить погоду».

Ледяная оболочка планеты называется криосферой. Основная масса льда — ледники; они разделяются на горные и покровные. Горные ледники — это, по существу, ледяные реки. Спускаясь вниз по склонам, они ведут себя как реки: встречая широкое и ровное пространство, разливаются по нему, а в узких ущельях движутся как горный поток. Правда, движение горных ледников очень медленное. Огромные языки ледников спускаются с высочайших вершин Гималаев, Тибета. Многие сибирские реки берут свое начало в ледниках Алтая и Саян.

Царство покровных ледников — арктический и антарктический пояса. Они покрывают всю поверхность арктических островов и Антарктиды, постепенно сползая к океану. В некоторых местах ледниковый покров растекается даже по поверхности моря — так рождаются плавучие ледяные горы — айсберги (рис. 5.3). Особенно огромны ледниковые отложения в Антарктиде. Здесь поистине царство льдов, их площадь превышает площадь всей Европы. Антарктида таит в себе много загадок. Когда-то этот континент был покрыт вечнозеленой растительностью, о чем свидетельствуют найденные здесь залежи каменного угля.

Знакомясь с ледяным царством на Земле, нельзя забывать и о его подземных владениях. Районы вечной мерзлоты на земном шаре занимают 200

четверть суши. На территории нашей страны мерзлота несплошной полосой тянется от побережья Ледовитого океана до Туруханска и Якутска, а отдельные ее островки есть и южнее — у Иркутска, Красноярска, Читы, на берегах Амура. Вечная мерзлота оказалась прекрасным холодильником: тысячелетия он работает так исправно, что сохранились трупы давным-давно погибших животных с мясом, кожей и шерстью. Когда ученые познакомились с тем, что сохранила замерзшая северная земля, они пришли к выводу, что вечная мерзлота не вечна. Она образовалась около 100 тыс. лет назад, когда произошло великое оледенение. Наступившее потом потепление оттеснило льды на острова Ледовитого океана, но под слоем почвы, оттаивающей каждое лето, на севере нашей страны осталась навеки промерзшая земля.

Воздушную оболочку Земли образует атмосфера. Она, как одежда, защищает днем поверхность Земли от обжигающих лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает нас и от смертельного космического излучения. Без воздушной оболочки Земля была бы мертвой и безмолвной. Ведь все живое не может существовать без воздуха.

Многие мыслители древности считали воздух одним из главных элементов мироздания. Так, по мнению греческого философа Анаксимена (VI в. до н.э.), воздух вездесущ и дает начало всем вещам. В XVII в. было доказано, что воздух имеет массу. Теперь мы знаем, что чем ближе воздух к поверхности планеты, тем он плотнее. Масса 1 м воздуха у земной поверхности составляет в среднем 1, 293 кг. На высоте 10 км она снижается до 400 г, а на сорокакилометровой высоте — до 4 г. Основные составляющие атмосферы — азот (78 %) и кислород (21 %). Атмосфера, кроме того, содержит в небольших количествах углекислый газ, аргон, гелий, водород, озон, водяные пары и др.

Самая нижняя часть атмосферы — тропосфера — простирается до 8—10 км в полярных широтах и до 16—18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более 1/5 всей массы воздуха. В ней образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому ее справедливо считают «фабрикой» погоды. Следующий слой — стратосфера — находится над тропосферой до высоты 50—55 км над земной поверхностью. Здесь неизменно ясно и часто дуют сильные ветры. В стратосфере существуют сезонные и климатические различия: есть своя зима и свое высотное лето, есть свои умеренные широты и зоны экватора. Между тропосферой и стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами. Поэтому к изменению погоды причастна и стратосфера, иногда называемая «кладовой» погоды.

Следующий слой атмосферы — ионосфера — начинается на высоте от 50 км и ограничивается сверху магнитосферой — областью, где заметно проявляется магнитное поле Земли. Ионосфера состоит преимущест-

венно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществить дальнюю радиосвязь. В ионосфере дуют ураганные ветры. Выше ионосферы, начиная с высоты несколько сот километров над Землей, расположена экзосфера — зона рассеяния атмосферы, из которой быстро движущиеся атомы водорода могут вылетать в космическое пространство. Следы атмосферы обнаруживаются и выше — на высоте более 10 тыс. км. До высоты 100—200 км газовый состав нашей планеты значительно не меняется. Выше — до 200—250 км — преобладает азот, затем — до 500—700 км — атомарный кислород, а еще выше — гелий. У поверхности «воздушного океана» преобладает самый легкий газ — водород.

Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина такого своеобразного хвоста — около 100 тыс. км. Предполагается, что он образовался в результате давления солнечных лучей — солнечного ветра.

Деление атмосферы и земного шара на составные части весьма условно. Нельзя провести резкую границу между отдельными частями, хотя каждая из них обладает вполне определенной спецификой. Все они тесно взаимосвязаны друг с другом. Такая связь наиболее сильно проявляется между верхней частью литосферы, гидросферы и нижней части атмосферы, которые образуют область активной жизни, называемую биосферой. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин «биосфера» впервые ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс (1831—1914). Согласно учению В.И. Вернадского, биосфера — активная оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, в том числе и человека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения.

Земля вместе с атмосферой совершает один оборот вокруг Солнца за один год. А Солнце вместе с большими и малыми планетами совершает путешествие в загадочном космическом пространстве. Так и человек совершает нескончаемое путешествие в уникальную страну знаний, приближающих человечество к тайнам мироздания.

Контрольные вопросы

1. Что называется самоорганизацией?

2. Назовите основные направления исследования самоорганизации.

3. Каким условиям должен удовлетворять объект изучения синергетики?

4. Что такое точка бифуркации?

5. Назовите основные положения концепции развития.

6. Чем отличается самоорганизация от эволюции?

7. Охарактеризуйте основные концепции космологии.

8. Сформулируйте закон Хаббла.

9. Как определяется радиус космологического горизонта?

10. Что такое реликтовое излучение?

11. Каков предполагаемый механизм образования объектов Вселенной?

12. Что представляют собой черные дыры?

13. Какова структура Вселенной?

14. Что такое Метагалактика?

15. К какой галактике относится Солнечная система?

16. Како