18. Атмосфера солнца и планет солнечной системы

Солнце, климат и погода планет солнечной системы - все эти вопросы кажутся весьма далекими от нашей жизни на Земле и даже от погоды, с которой мы сталкиваемся повседневно: к тому, что светит Солнце, мы привыкли, а как оно светит и как греет - это нам представляется зависящим от погоды, а не наоборот; что же касается других планет, то мы с детских лет усвоили непреложную истину, что все они могут светить нам лишь отраженным светом, слишком слабым, чтобы принимать его всерьез, а обогревать Землю они и подавно не могут... А между тем, не все так просто. Многое из того, что происходит на Солнце, имеет прямое отношение к нашим земным делам и потому заслуживает внимания, а изучение атмосфер планет солнечной системы в комплексе с изучением солнечной деятельности может помочь нам лучше познать нашу земную атмосферу, поскольку известно, что основные физические законы, постигнутые наукой, применимы и за пределами нашей планеты.

С известным непостоянством солнечной активности, проявляющимся в существовании множества циклов в деятельности Солнца (5 - 6-летнего, 11-летнего, 22-летнего, полувекового, векового и других), многие ученые связывают периодические колебания режимов температуры, осадков, состояния ледников и других гидрометеорологических показателей на Земле. Хотя наличие подобной связи нельзя считать доказанным, но игнорировать такую возможность нет оснований - Солнце как единственный для Земли источник энергии, получаемой ею извне, может в принципе при колебаниях своей активности влиять на состояние земной атмосферы и на условия погоды. Вопрос в том, каков механизм этого влияния...

Наблюдая за состоянием атмосфер Солнца и планет не только с поверхности Земли, но и с помощью посылаемых к другим планетам измерительных приборов, устанавливаемых на автоматических станциях, мы обнаруживаем там много интересного.

Нет ничего удивительного в том, что объем информации о жизни планет солнечной системы с каждым годом все возрастает, а по мере его роста возникают все новые и новые вопросы, интересующие нас, землян. Далеко не на все эти вопросы мы сегодня в состоянии дать ответы, и не все ответы, которые сейчас могут быть даны, следует считать окончательными - в процессе расширения наших знаний многие представления уточняются. Таким образом, условимся рассматривать сообщаемые в этой главе сведения как предварительные.

18.1. Что такое солнечная постоянная?

Полный поток лучистой энергии Солнца на верхней границе атмосферы при среднем расстоянии Земли от Солнца называют солнечной постоянной. По многократным измерениям на протяжении более 40 лет эта величина равна 136 мВт/см². За всю историю измерений потока лучистой энергии Солнца не отмечено случаев отклонений ее величины, которые не укладывались бы в пределы ошибок измерений и имели бы какую-либо регулярность. Поэтому эту величину и назвали солнечной постоянной. Современной науке неизвестны какие-либо доказательства изменения притока солнечной радиации - светимость Солнца сохраняется постоянной на протяжении всего периода существования жизни на Земле, она равна 3,83 · 10²³ кВт.

18.2. Насколько значительна светимость Солнца по сравнению со светимостью остальных звезд?

Согласно звездной статистике, Солнце относится к спектральному классу G2 - так называемых желтых кар ликов. Всего различают семь спектральных классов - от звезд большой светимости сине-фиолетового цвета, имеющих температуру излучения 40 000 - 50 000 К до звезд низкой светимости оранжево-красного цвета, имеющих температуру излучения около 3000 К: О, В, A, F, G, К, М Наше Солнце занимает среди других звезд по светимости промежуточное положение между звездами средней и низ кой светимости, а именно 53-е место из 70 ( в каждом звездном классе 10 подклассов).

18.3. Насколько постоянна светимость Солнца и звезд?

Согласно теории звездного равновесия, светимость Солнца, как и всех звезд, определяется его массой и поэтому она со временем должна мало меняться, так как убыль массы Солнца в масштабах времени существования человечества ничтожна.

18.4. С какой скоростью вращается Солнце?

Солнце вращается вокруг оси, имеющей угол наклона к эклиптике 82°45'; угловая скорость вращения во много раз меньшая, чем у Земли,- один оборот Солнце совершает за 25 - 30 земных суток. Диаметр Солнца 1 392 000 км.

18.5. Насколько масса Солнца больше массы планет солнечной системы?

Масса Солнца несоизмеримо больше массы любой планеты солнечной системы. Масса всех планет вместе взятых примерно в 740 раз меньше массы Солнца.

18.6. Есть ли атмосфера на Солнце?

Внешние, доступные наблюдениям слои Солнца можно считать его атмосферой. Самый нижний слой солнечной атмосферы - фотосфера - является источником почти всего солнечного излучения. Толщина фотосферы около 300 км, средняя плотность 3 · 10 кг/м³, температура от 6000 до 4200 К. Выше фотосферы находится второй слой солнечной атмосферы - хромосфера, мощность которого около 10 000 км, а еще выше - солнечная корона, являющаяся наиболее разреженной частью солнечной атмосферы. Хромосфера и солнечная корона дают все наблюдаемое радиоизлучение Солнца.

18.7. Почему мы выделяем Солнце среди других звезд?

Для этого есть все основания: хотя Солнце - действительно самая обычная звезда, имеющая такие же размеры, плотность и яркость свечения, как и тысячи других звезд, но в силу ряда обстоятельств оно оказалось для нас единственным источником энергии, а следовательно, и жизни на Земле. Обстоятельства эти исключительные: Земля наряду с несколькими другими планетами принадлежит к солнечной системе, то есть обращается вокруг Солнца и перемещается вместе с Солнцем; она находится, по космическим масштабам, относительно близко от Солнца, "всего" на удалении в среднем около 149 млн. км, или немногим больше 8 световых минут, тогда как остальные ближайшие звезды удалены в тысячи раз больше (Альфа Центавра - на 4,33 светового года, Сириус - на 8,75, Вега - на 26,5 светового года). Получая от Солнца всего одну двухмиллиардную долю его энергии излучения, наша планета обеспечена необходимым для жизни теплом и миллионы лет пребывает в состоянии теплового равновесия, столь важного для сохранения относительной стабильности ее климата и других условий жизни.

18.8. Для чего существует Служба Солнца?

Служба Солнца создана для изучения Солнца и обмена информацией об изменениях солнечной активности. Колебания солнечной активности создают магнитные бури, полярные сияния, изменяют радиационную обстановку в околоземном пространстве и условия прохождения радиоволн. Они оказывают влияние и на метеорологические процессы, хотя их роль в изменениях состояния земной атмосферы пока еще не выяснена. Службой Солнца разрабатываются программы изучения солнечной активности, например программа Международного года спокойного Солнца (1964/65) и Международного года солнечного максимума (с 1 августа 1979 года по 30 апреля 1981 года).

18.9. Имеется ли атмосфера на других планетах солнечной системы?

Да, все планеты солнечной системы имеют атмосферу, однако состав газов земной атмосферы совсем иной, чем на остальных планетах. У каждой планеты солнечной системы своя атмосфера, отличная от атмосферы любой другой планеты.

Наибольшая плотность атмосферы и наибольшее атмосферное давление - на Венере, наименьшая - на Меркурии.

18.10. Какими средствами изучают атмосферы планет солнечной системы?

В прошлом о планетах и их атмосферах люди могли судить только по данным наблюдений с помощью оптических приборов. Открытие спектрального анализа позволило уже во второй половине прошлого века исследовать состав атмосферы планет по спектрам их излучения. Создание ракет и автоматических межпланетных станций в 50 - 60-х годах нашего столетия решающим образом расширило возможности исследования атмосферы планет солнечной системы путем направления измерительной аппаратуры непосредственно в толщу атмосферы ближайших планет. Советская автоматическая станция "Венера-4", достигшая этой планеты в 1967 году, "Венера-7", впервые плавно опустившаяся на поверхность Венеры в 1970 году, "Венера-9", впервые обеспечившая получение снимков поверхности планеты (1975 год), и, наконец, "Венера-13" и "Венера-14" (1981 год), передававшие с поверхности планеты около двух часов сведения о состоянии ее атмосферы, условиях освещенности облаков и самой поверхности, дали богатую информацию о составе, строении и режиме венерианской атмосферы. Американские межпланетные станции "Марс", "Маринер", "Пионер" и "Вояджер" принесли новые важные сведения об атмосферах Марса, Меркурия и Сатурна.

18.11. Каковы значения солнечной постоянной на планетах солнечной системы?

В настоящее время значения солнечной постоянной установлены для пяти планет: Меркурия - 935 мВт/см², Венеры - 265 мВт/см², Земли - 136 мВт/см², Марса - 60 мВт/см², Юпитера - 5 мВт/см².

Для планет, расположенных ближе с Солнцу, солнечная постоянная во много раз превосходит ее значение для Земли, а для планет, расположенных на большом удалении от Солнца, она очень мала.

18.12. Насколько велики различия в отражательной способности поверхности планет солнечной системы?

Средние значения отражательной способности (альбедо) поверхности планет с учетом существования на планетах атмосферы и облаков приблизительно такие:

Меркурий 0,09				Марс 0,20				Уран 0,5 

Венера 0,77				Юпитер 0,5				Нептун 0,5 

Земля 0,30			Сатурн 0,5 

Как видим, различия эти очень существенны. Они определяются как особенностями условий на поверхности планет, так и особенностями состава их атмосфер и наличием облаков. Так, например, поверхность Венеры покрыта жидкостью, поверхность Марса - пылью; на Венере, как и на Земле, есть капельно-жидкие облака, на Марсе - в основном только пылевые.

18.13. Что известно сейчас об атмосфере Марса?

Атмосфера Марса значительно менее плотная, чем атмосфера Земли, и величина атмосферного давления на поверхности планеты составляет всего 0,6% атмосферного давления на земной поверхности. Основные газы атмосферы Марса - углекислый газ (около 95%), азот и аргон (около 5% вместе); остальные газы содержатся в незначительном количестве - кислород, водяной пар, окись углерода (все вместе всего десятые доли процента). Средняя температура на поверхности составляет 230 К, при этом на освещенной стороне планеты днем она может быть около 280 К, а на неосвещенной стороне 200 К. Продолжительность суток на Марсе примерно такая же, как и на Земле, но продолжительность года почти в два раза большая,- год там длится 687 земных суток. Температура в марсианской атмосфере убывает с высотой приблизительно в два раза медленнее, чем в нашей земной. На планете есть полярные шапки льдов из замерзшей углекислоты, граница которых опускается до 60-й параллели. Атмосферная циркуляция имеет сходство с земной, но интенсивность циркуляции превосходит земную, так как контрасты температуры между экватором и полюсами на Марсе в 2,5 - 3 раза больше, чем на Земле.

18.14. Каковы условия погоды на Марсе?

Условия марсианской погоды можно охарактеризовать только весьма приближенно. Более или менее достоверно мы знаем, что на этой планете очень велик суточный ход температуры. Преобладающими зимой должны быть ветры западного, а летом - восточного направления, так как господствующей там является зональная форма циркуляции, меридиональные процессы проявлются слабее, чем на Земле. Анализ телевизионных изображений облачного покрова (там, помимо низких пылевых облаков желтого цвета, изредка наблюдаются высокие тонкие кристаллические облака синего и белого цвета) показывает наличие структур облачности фронтального типа. Характерным явлением погоды на Марсе следует считать пыльные бури, которые могут носить там глобальный характер. Одна из таких пыльных бурь наблюдалась в период полетов автоматических межпланетных станций "Марс" и "Маринер" в конце 1971 и начале 1972 года. Особенностью таких бурь является "антипарниковый эффект" - охлаждение поверхности планеты и увеличение температуры атмосферы под влиянием поглощения солнечной радиации пылью.

18.15. Всегда ли климат Марса был таким, как сегодня?

Сейчас Марс представляет собой пустынную, безводную и по сравнению с Землей очень холодную планету.

Многие исследователи склонны считать, что в очень далеком прошлом условия там были совсем иные, в частности атмосфера была более плотной и, что особенно существенно, была и вода. Об этом говорят обнаруженные на Марсе осадочные отложения и рельеф поверхности, изобилующий узкими долинами, напоминающими естественные каналы, по которым, как по земным рекам, возможно, текла вода или какая-либо другая жидкость.

О существовании на Марсе другого, значительно более мягкого климата в далеком прошлом (возможно, около миллиарда лет тому назад), по мнению некоторых ученых, говорят и расчеты, основанные на предположении о том, что, прежде чем стать современной, "докислородной", марсианская атмосфера была первоначально водородной, затем аммиачной, и лишь в будущем ей предстоит стать подобной нашей земной. Однако наши знания и о современной марсианской атмосфере еще далеки от полноты, а представление о ее эволюции в прошлом вообще носит чисто гипотетический характер.

18.16. Что представляет собой атмосфера Меркурия?

Меркурий, как и спутник Земли Луна, практически лишен атмосферы. Однако в ничтожных количествах на Меркурии обнаружено присутствие углекислого газа. Атмосферное давление, создаваемое им, равно примерно одной тысячной доле давления земной атмосферы. Согласно предположению, разделяемому рядом авторитетных ученых, из атмосферы Меркурия ушли составлявшие ее некогда легкие газы, поскольку из-за своей небольшой массы планета оказалась неспособной удержать возле себя первоначально возникшую атмосферу, состоявшую из продуктов дегазации ее твердой оболочки. (Масса Меркурия в 18 раз меньше массы Земли и почти в два раза меньше массы Марса.) По той же причине Луна, имеющая еще меньшую массу (в 81 раз меньше земной), оказалась полностью лишенной атмосферы.

18.17. Из чего состоит атмосфера Венеры?

Венера, самая для нас яркая и красивая планета солнечной системы, всегда привлекала внимание людей. Данные о ней, полученные во второй половине нашего столетия, оказались для многих неожиданными и даже разочаровывающими - поверхность Венеры окутана плотным слоем облачности, состоящей из капель, по мнению одних ученых, серной, а по мнению других - соляной кислоты. В обоих случаях - это не лучшее место для прогулки туристов-землян, с древнейших времен питающих чувства симпатии к соседке нашей Земли...

Спектральный анализ излучения Венеры показал, что ее атмосфера примерно на 95% состоит из углекислого газа. Оставшиеся 5% составляют нейтральные газы азот и аргон и кислород, водяной пар, соляная и фтористая кислота, угарный газ. Атмосфера на Венере очень плотная, давление на поверхности планеты в 90 раз больше земного. По последним данным, облака, всегда закрывающие поверхность этой планеты, состоят из капель не серной, а соляной кислоты.

18.18. Каков температурный режим на Венере?

Венера во всех отношениях своеобразная планета, во многом не похожая на остальные. Вращается она очень медленно, так что сутки там в 117 раз продолжительнее земных (кстати, и направление вращения у нее противоположно направлению вращения остальных планет). Вследствие незначительной скорости вращения и небольшого наклона плоскости ее орбиты к плоскости экватора (менее 3°) на Венере практически нет сезонов и температура воздуха на экваторе и полюсах почти одна и та же (различия не превышают 2%). Волна солнечного нагрева перемещается вдоль солнечного экватора со скоростью 3 м/с.

Температура на освещаемой Солнцем стороне около 748 К. С высотой она убывает, достигая в тропопаузе, на высоте 58 км, примерно 281 К, то есть уже вполне земных значений. Во всей 58-километровой толще венерианской тропосферы происходит интенсивное перемешивание воздуха, связанное с бурными процессами конвекции.

18.19. Что представляет собой атмосферная циркуляция на Венере?

По современным представлениям, важнейшим фактором теплообмена и перераспределения тепла между дневными и ночными участками поверхности Венеры является ветер: над подсолнечной (дневной) областью происходит вертикальный подъем воздуха и в нижнем слое атмосферы, вероятно, имеет место подток холодного воздуха из противосолнечной (ночной) области. На верхних уровнях наблюдается противотечение - отток теплого воздуха в противосолнечной области, где он опускается вниз к поверхности планеты, чтобы начать новый цикл движения к подсолнечной области. Ввиду малой скорости вращения Венеры мала и отклоняющая сила вращения, и потому она не оказывает заметного влияния на циркуляцию, которая при этом должна быть симметричной относительно экватора. Ветры на Венере в среднем должны быть примерно в два раза слабее, чем на Земле, то есть всего 5-6 м/с, или 20 км/ч; разность давления между дневной и ночной сторонами планеты составляет в среднем около 28 гПа. Однако благодаря большой плотности венерианской атмосферы ветровое давление там в 10 - 15 раз превышает земное. Как мы уже говорили, для атмосферы Венеры характерно интенсивное вертикальное движение воздуха. С высотой скорости ветра возрастают, достигая на верхней границе облачного слоя 200 км/ч.

18.20. Какие на Венере облака?

Нам трудно представить себе внешний вид облаков на Венере. Есть основания полагать, что облачный покров имеет мощность несколько десятков километров, начинаясь на высоте около 50 км над поверхностью планеты. Состоят облака из капель соляной кислоты. Они могут, покрывая планету сплошным слоем, иметь отдельные участки хорошо выраженной конвекции, наподобие известных на Земле районов развития кучево-дождевых облаков в массе слоистообразной облачности фронтальной природы.

Вертикальные токи конвективных движений внутри облачного покрова, по расчетам, должны иметь скорость около 1 - 2 м/с, а предельные значения скорости турбулентного потока могут достигать 10 м/с.

18.21. Чем можно объяснить отсутствие кислорода в атмосфере Венеры?

Можно предположить, что атмосфера Венеры, как и ряда других планет, в том числе Меркурия, Земли и Марса, образовалась в результате дегазации твердой оболочки этой планеты. Однако, поскольку условия на этой планете оказались неблагоприятными для развития растительности и существования фотосинтезирующих микроорганизмов, процессы фотосинтеза не получили на Венере развития, что и обусловило отсутствие кислорода, хотя там достаточно исходного материала (в частности, углекислого газа) для его образования.

18.22. Каков состав атмосферы на Юпитере?

Атмосфера Юпитера состоит из легких газов - водорода и гелия. В незначительном количестве там обнаружены метан и аммиак. Последний, возможно, как предполагают некоторые исследователи, существует на этой планете еще в кристаллическом и в жидком виде (из аммиачных кристаллов и капель могут формироваться облака).

Все перечисленные газы содержатся в верхнем слое атмосферы Юпитера, то есть выше облаков, которые окутывают планету очень мощным слоем, толщиной примерно 1000 км. В нижнем слое атмосферы, вероятно, содержатся более тяжелые газы и вода, а также и аммиак. В целом плотность атмосферы Юпитера не очень велика, атмосферное давление на поверхности составляет 1,3 земного.

18.23. Что представляют собой облака на Юпитере?

Как предполагают ученые, это капельно-жидкая облачность, состоящая из водного раствора аммиака, а возможно, и соляной кислоты. Нижняя граница ее предположительно находится на высоте нескольких десятков километров над поверхностью планеты, верхняя - на высоте около 1000 км. Некоторые ученые допускают возможность существования нескольких слоев облачности на Юпитере, в том числе слоя из кристаллического аммиака. Облачные поля на этой планете неустойчивы, наблюдаются они в виде нескольких полос вдоль кругов широты, их конфигурация изменяется иногда очень быстро.

18.24. Каков режим температуры в атмосфере Юпитера?

Более или менее определенно можно судить лишь о температуре на поверхности облачного слоя планеты, которая оценивается в 130-150 К. Значительно труднее оценить температурный режим в нижнем слое атмосферы, под облаками. По некоторым расчетам, температура в подоблачном слое на Юпитере составляет около 400 К.

18.25. Что известно о циркуляции атмосферы Юпитера?

Юпитер - планета с высокой скоростью вращения, и ввиду большой мощности облачного покрова циркуляция его атмосферы определяется не солнечным нагревом поверхности планеты, а действием внутренних сил гравитации. Судя по направленности облачных полос параллельно экватору, циркуляция носит четко выраженный зональный характер. Одной из особенностей циркуляции являются резкие скачкообразные изменения ее скорости вдоль меридиана, достигающие 1 км/с на 3° широты.

18.26. Каковы особенности атмосферных условий на других планетах-гигантах?

Об атмосферных условиях на планетах-гигантах, к которым, кроме Юпитера, относятся Сатурн, Уран и Нептун, известно немного. Обладая большой массой и большой скоростью вращения, они сохраняют в своих атмосферах легкие газы. На всех указанных планетах есть водород и метан. Атмосфера есть даже на некоторых из их спутников. Будучи сильно удаленными от Солнца, эти планеты получают ничтожное количество солнечного тепла. Сатурн, Уран и Нептун известны как планеты с низкотемпературным излучением.

18.27. Что такое солнечный ветер?

Солнечный ветер - не метеорологическое понятие, а астрофизическое. Это постоянное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Солнечный ветер уносит избыточную энергию солнечной короны, остающуюся после потери энергии на излучение. Температура плазмы у "истоков" солнечного ветра, на солнечной короне, около 2 · 10⁶ К, по мере удаления от Солнца она сперва возрастает, составляя 10⁷ К, а затем уменьшается, достигая у земной орбиты 10⁴ К, а при вспышках солнечной активности становится на порядок выше, то есть 10⁵ К. Радиальная скорость частиц солнечного ветра на удалении в несколько радиусов Солнца составляет 100 - 150 км/с, а у орбиты Земли она может быть от 300 до 750 км/с. Плотность потока частиц соответственно убывает, она обратно пропорциональна квадрату расстояния от Солнца. На удалении примерно десяти земных радиусов от нашей планеты под влиянием магнитного поля Земли солнечный ветер как бы обтекает земную магнитосферу, оказывая влияние на ее состояние при колебаниях интенсивности потока частиц, составляющих солнечный ветер. Вариации интенсивности солнечного ветра являются причиной магнитных бурь, полярных сияний и других проявлений возмущения магнитного поля Земли.

18.28. Что такое космический ветер?

Это потоки частиц, излучаемые звездами. Американский космический аппарат "Вояджер-2" в июле 1979 года зафиксировал в пределах солнечной системы, на расстоянии 20 млн. км от планеты Юпитер, излучение потока частиц со скоростью, превышающей 5 млн. км/ч (более 1388 км/с), которое американскими учеными университета Джона Гопкинса было названо космическим ветром. О достижении планеты Юпитер потоками частиц космического ветра было известно и ранее по результатам исследований советских и зарубежных астрофизиков.

18.29. Что представляет собой "парад планет" и может ли он повлиять на условия жизни на Земле?

"Парадом планет" называют сравнительно редкие случаи, когда планеты солнечной системы выстраиваются в одну линию и создают, таким образом, увеличение приливных сил, вызываемое суммарным притяжением всех планет. Все предшествующие случаи "парада планет" не внесли никаких заметных изменений в условия жизни на Земле. Влияние таких ситуаций в положении планет солнечной системы на состояние земной коры и атмосферы не доказано - увеличение приливных сил слишком малозначительно, чтобы его можно было принимать в расчет. Так, во всяком случае, утверждают специалисты - астрономы и астрофизики.