Изучение природы планет и Луны

Планеты — далекие земли, братья (если хотите, сестры) родной нам планеты — нашей Земли. Эти далекие земли — все же ближайшие к нам небесные тела в бесконечной Вселенной. В телескоп мы видим даже их диски и, например, Юпитер при увеличении всего около 50 раз виден таким, какой Луна кажется невооруженному глазу. Тем не менее, много загадок, не решенных поныне, хранит каждая из планет и, увы, знаем мы о них меньше чем о многих неизмеримо более далеких звездах. Спектр планет, отражающих свет Солнца и не имеющих своего света, почти тот же, что спектр Солнца. Это «почти» и дало нам то существенно новое, что прибавилось к науке о природе планет за последние десятилетия. Еще больше нового принесли радионаблюдения планет и Луны и посылка к ним автоматических межпланетных станций.

Много времени прошло, прежде чем астрономы убедились в том, что поверхности многих планет они не видят, а видят в телескоп лишь вечно изменчивые облака, окутывающие и скрывающие от нас эти поверхности. Так обстоит дело с Венерой, Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном. Наличие облаков говорит, правда, о существовании мощных атмосфер у этих планет, особенно у четырех последних, но ничего не прибавляет к нашему знанию о том, как выглядят их поверхности. Облака эти, как паранджи персиянок, скрывают от нас лицо многих планет.

В области изучения планет явилась возможность измерить их температуру с помощью термоэлементов и других приборов, а также из наблюдений их радиоизлучения. Эти температуры относятся к видимой поверхности планет, т. е. в одних случаях к самой поверхности, а в других — лишь к определенным слоям их атмосферы. Данные о температуре планет в некоторых случаях в значительной степени заставили нас пересмотреть прежние взгляды на их физическую природу. Атмосфера играет большую роль в температурных условиях на планете. Плохо планете, у которой нет подобного атмосферного «плаща»!

На Земле днем облака и сам воздух предохраняют почву от чрезмерного нагревания, а ночью препятствуют отдаче накопленного тепла в мировое пространство. Температура дня и ночи при этом несколько выравнивается. Ясно также, что выравниванию температуры на поверхности способствует вращение планеты вокруг оси по отношению к Солнцу и тем сильнее, чем это вращение быстрее.

Спектральный анализ не может нам дать о планетах столько сведений, сколько он их дает о звездах, потому что планеты светят отраженным светом Солнца. Однако было бы неверно думать, что он вообще не может ничем нам помочь при изучении планет. Уже давно догадались, что, определяя из спектра по принципу Доплера скорость относительно нас двух противоположных краев планеты, можно узнать период вращения планеты вокруг своей оси. Так были окончательно установлены периоды вращения вокруг оси Урана и Нептуна.

Распределение энергии в непрерывном спектре планеты не является точной копией такового в спектре Солнца. Если планета, как часто, но неточно говорят, лишь отражает свет Солнца подобно зеркалу, то мы скажем, что это зеркало — кривое. В самом деле, распределение энергии в спектре планеты не то, что в спектре Солнца, поскольку поверхность всякой планеты, как и всякого вещества, — не идеальное зеркало, не идеально белая поверхность и поэтому не одинаково отражает лучи разной длины волны. Вообще говоря, поверхности красного цвета лучше всего отражают красные лучи; в спектре света, отраженного ими, красная часть спектра по сравнению с остальными будет поэтому ярче, чем в спектре источника света, освещающего эти вещества. Именно эта большая яркость красных лучей в их спектре и придает им красный цвет.

Как давно известно, газы состоят из молекул, хаотически движущихся со всевозможными скоростями. Средняя их скорость зависит от массы молекул и от температуры газа. Средняя скорость тем больше, чем меньше масса молекул и чем больше температура. С другой стороны, при достижении газовой частицей некоторой предельной, или критической скорости планета уже не способна удержать ее возле себя и не дать ей унестись в безвоздушное межпланетное пространство. Зная силу тяжести на поверхности планеты (растущую с массой планеты и быстро убывающую с увеличением ее диаметра), можно вычислить эту критическую скорость. Для Земли она составляет 11,2 км/с для Луны 2,4 км/с и т. д. Было подсчитано, с какой скоростью рассеивается атмосфера каждой планеты, и оказалось, что если бы у Луны и Меркурия когда-то были плотные атмосферы, то они должны были очень быстро рассеяться. Это объясняет, почему у этих небесных тел мы не наблюдаем атмосферы в настоящее время. Молекулы их атмосфер давно покинули своих слабосильных хозяев — Луну и Меркурий¹. У нашей прекрасной соседки Венеры существование атмосферы, почти такой же плотной, как у Земли, было впервые установлено из наблюдений гениальным русским ученым M. В. Ломоносовым в 1761 г. У Марса атмосфера разреженнее земной. Это было установлено теоретически и подтверждено в результате запусков автоматических межпланетных станций.

У больших планет атмосферы чрезвычайно обширны. Притяжение больших планет способно удержать (тем более, что на их поверхности температура низка) даже самые легкие газы (такие, как водород), имеющие наибольшую среднюю скорость молекул. Из атмосферы же Земли газы с наиболее легкими молекулами легко улетучиваются. Отдельные молекулы, покидающие атмосферы Юпитера и Сатурна, так малочисленны, что их убыль практически до сих пор не успела сказаться сколько-нибудь заметно.

Спектр планет, имеющих атмосферу, отличается от спектра Солнца не только распределением энергии вдоль него. Атмосфера планеты как бы накладывает на спектр свой грим — она вызывает в нем появление новых темных линий и полос. То же происходит и в атмосфере Земли. Действительно, проходя через атмосферу Земли, свет Солнца поглощается молекулами тех газов, которые в ней есть; это вызывает в спектре Солнца появление характерных для этих газов темных линий. В спектре Солнца, наблюдаемого нами сквозь земную атмосферу, есть линии, принадлежащие атмосферным водяным парам, кислороду и азоту. Эти линии, называемые теллурическими, можно отличить от линий, принадлежащих самому Солнцу, потому что теллурические линии усиливаются по мере приближения Солнца к горизонту и увеличения толщи атмосферы, пронизываемой его лучами. Другой способ основан на том, что в спектре края Солнца, благодаря его вращению, линии смещены вследствие эффекта Доплера, теллурические же линии занимают нормальное положение.

Свет Солнца пронизывает атмосферу планеты и, отразившись от ее поверхности, пронизывает атмосферу ее еще раз, прежде чем попадет на Землю. Дополнительное поглощение солнечного света молекулами планетной атмосферы вызовет усиление теллурических линий по сравнению с непосредственно полученным спектром Солнца либо появление новых линий в спектре, если данного газа планетной атмосферы нет в атмосфере нашей Земли.

Рис. 31. Путь солнечных лучей, отражаемых планетой к Земле. Атмосферы планеты и Земли показаны точками.

Примечания

1. С помощью приборов на космических аппаратах установлено, что на Меркурии и Луне есть следы слабой атмосферы, однако, такие «атмосферы» настолько разрежены, что не идет ни в какое сравнение с хорошо ощутимой атмосферой Земли.