|
Оглавление
От автора
Собираясь написать популярную книгу, прежде всего задаешься вопросом: кому она адресована? Хочется, конечно, чтобы ее прочитала как можно более широкая аудитория. Значит, книга должна быть написана доступно. Однако доступность нельзя отождествлять с излишней упрощенностью, которая совершенно справедливо не удовлетворит взыскательного читателя. К тому же знакомство с любым серьезным предметом (как бы увлекательно ни стремился автор о нем рассказать) и просто занимательное чтение — далеко не одно и то же. Поэтому автор вправе надеяться, что его усилия будут помножены на терпение читателя, стремящегося познакомиться с интересующим его разделом науки. Мы собираемся побеседовать об одной из чрезвычайно интересных и бурно развивающихся областей астрофизики — об исследованиях планет Солнечной системы. За последние полтора десятилетия эта область особенно сильно испытала на себе благотворное воздействие новейших средств и методов, открывшихся прежде всего благодаря использованию ракетно-космической техники. Полеты космических аппаратов к Венере, Марсу, Меркурию, Юпитеру, Сатурну принесли уникальную информацию о природе этих планет, объем и важность которой превосходит сведения, полученные за предыдущие столетия классическими средствами наблюдательной астрономии. Наметился подход к всестороннему, комплексному изучению каждого из ближайших к нам небесных тел, получили дальнейшее развитие методы теоретического моделирования процессов и явлений, происходящих на поверхностях, в атмосферах, в недрах планет и в пограничных областях космического пространства. Эти знания помогают выявлению природных закономерностей в том довольно ограниченном по космическим масштабам мире, в котором мы живем, пониманию того, что происходило здесь в прошлом и как будет продолжаться в будущем. В этих знаниях — ключ к решению фундаментальных проблем современного естествознания, связанных с происхождением и эволюцией планетной системы. Сравнительное изучение планет и их спутников — «лун» — имеет первостепенное значение и для познания природы Земли. Нам еще далеко не ясны те условия, которые привели к формированию разнообразных природных комплексов, в том числе благоприятствовавших зарождению и развитию жизни на Земле. Отыскание их поможет в свою очередь установить диапазон допустимых отклонений от сложившихся за многие миллионы лет взаимосвязей вследствие всевозрастающего воздействия человечества на окружающую среду, за пределами которых эти отклонения могли бы приобрести опасный, необратимый характер. О значительном прогрессе наших знаний о природе планет хорошо известно лишь ограниченному кругу специалистов. Большинство же читателей знакомо лишь с отдельными, фрагментарными материалами по немногочисленным публикациям в научно-популярных журналах. Появившиеся за последние годы несколько книг, посвященных истории открытий, движениям, свойствам планет и другим аспектам планетной астрономии, не могут в полной мере восполнить этот пробел. Поэтому нам казалось полезным рассказать обо всех важнейших направлениях современных планетных исследований. При этом, в отличие от обычно используемой формы изложения (последовательно о каждой из планет), мы попытались рассмотреть планеты путем сопоставления их основных природных особенностей в разделах, посвященных соответственно механическим характеристикам и параметрам движения, поверхностям, внутреннему строению, физическим свойствам атмосферы и метеорологии. Затрагиваются также некоторые общие проблемы планетной космогонии, тепловой истории и климатической эволюции. Такая форма изложения кажется нам наиболее подходящей на современном этапе исследований, когда основной упор делается на обобщение и сопоставление сведений о разнообразных природных комплексах на телах Солнечной системы, на выявление ,их общих или родственных черт и принципиальных различий. Именно в этом заложен тот эволюционный подход к изучению Земли, ее ближайшего окружения и Солнечной системы в целом, на котором будут сосредоточены в дальнейшем усилия физиков и астрономов, посвятивших себя этой увлекательной области науки. Книга основана на обширном материале советских и зарубежных исследований, включающих результаты, полученные космическими аппаратами, наземными оптическими и радиоастрономическими измерениями, а также обобщением этих данных в рамках теоретических моделей. Она снабжена большим числом иллюстраций» среди которых основное место занимают фотографии планет, наиболее впечатляюще рассказывающие о том, как выглядят планеты и их спутники. Автор благодарен своим многочисленным коллегам, вместе с которыми проводились исследования и неоднократно обсуждались различные проблемы физики планет. Он пользуется возможностью выразить признательность американским ученым Г. Мазурскому, Д. Моррисону, Т. Оуэну, К. Сагану, Б. Смиту, приславшим ему фотоснимки, переданные с космических аппаратов, и Национальному управлению по аэронавтике и исследованию космического пространства США за любезное согласие на их использование. Его приятный долг — поблагодарить В, Н. Жаркова, прочитавшего рукопись и сделавшего ряд полезных замечаний, Н. Д. Розман, Л. Д. Ломакину и И. А. Белоусову за помощь при подготовке материалов к печати. Итак, кому же адресована эта книга? Нам думается, что она привлечет внимание тех, кто интересуется проблемами астрономии, геофизики, космических исследований. Книга вполне доступна читателям, имеющим среднее образование. Мы старались избегать использования математического аппарата и специальной терминологии или давать пояснения там, где принятые в астрономии термины все же употреблялись. Хочется надеяться, что книгу с интересом прочтут также специалисты других отраслей знания, а специалисты смежных областей смогут найти в ней для себя немало полезных сведений и, возможно, захотят поглубже познакомиться с некоторыми отдельными вопросами или предметом в целом. Если эти надежды в какой-то степени оправдаются, мы будем считать свою цель достигнутой. Касаясь столь грандиозной темы, как планеты Солнечной системы, невозможно, естественно, одинаково подробно рассказать обо всех ее многочисленных аспектах. В отборе материала, в специфике изложения, в самом подходе к теме, конечно, сказались личные интересы и вкусы автора. Чему-то, наверное, надо было уделить больше внимания, что-то, наоборот, опустить. Кто-то из читателей, возможно, увидит достоинство в том, что другой будет склонен считать недостатком. Как мы ни стремились максимально учесть наиболее свежие данные, это оказалось невозможным при том ошеломляющем потоке новых сведений, который столь характерен для современного этапа исследований Солнечной системы. Поэтому отдельные результаты могут устареть почти одновременно с выходом книги.
Первое издание книги вышло около пяти лет назад. За прошедший период наука о планетах Солнечной системы обогатилась новыми важными результатами. Они касаются в первую очередь изучения Венеры и Сатурна. В 1981 г. советские автоматические станции «Венера13 и 14» впервые передали на Землю цветные панорамы поверхности Венеры и выполнили сложный эксперимент по анализу элементного состава венерианского грунта. Были пополнены сведения о характеристиках атмосферы и облаков Венеры, в частности, о содержании малых атмосферных компонентов. В 1983—1984 гг. на орбитах вокруг планеты более года работали искусственные спутники «Венера-15 и 16», оснащенные радиолокаторами бокового обзора и другой аппаратурой для проведения съемки и исследования физических свойств поверхности Венеры, а также ее надоблачной атмосферы. Переданные высококачественные изображения поверхности существенно расширили представления о геологическом прошлом и настоящем Венеры, дали подход к лучшему пониманию путей ее эволюции. В 1980 и 1981 гг, американские космические аппараты «Вояджер-1 и 2» последовательно осуществили пролеты в системе Сатурна и передали на Землю новые данные о самой планете, ее спутниках и кольцах. У Сатурна было открыто шесть новых спутников, исследована тонкая структура колец и их динамические свойства, получены изображения ледяных поверхностей спутников и морфологии движений в атмосфере планеты. В декабре 1984 г. были запущены советские автоматические станции «Вега-1 и 2»; научная программа которых включает в себя продолжение исследований Венеры при помощи спускаемых аппаратов в июне 1985 г. и исследование с пролетной траектории кометы Галлея при сближении с ней в марте 1986 г. Уникальную возможность встречи космического аппарата с этой знаменитой небесной скиталицей (периодически возвращающейся к Солнцу раз в 76 лет) и проведения ряда измерений вблизи ее ядра предполагают использовать также западноевропейские и японские ученые, запустив, соответственно, аппараты «Джотто» и «Планета А». Известные на сегодняшний день новые результаты были по возможности учтены при втором издании книги. Были также исправлены замеченные опечатки и неточности, а отдельные места доработаны с целью привести их в соответствие с современным уровнем знаний о телах Солнечной системы. Мы стремились при этом сохранить общий стиль книги, сочетая необходимую строгость в анализе фактического материала с доступностью изложения. Насколько это нам удалось — судить читателю. Апрель 1985 г. Введение
О планетах — «блуждающих звездах» — человечество знало уже в глубокой древности. Причудливые видимые движения пяти ярких звездообразных светил на ночном небе, резко выделявшие их среди других многочисленных звезд, далеко не сразу нашли свое объяснение; воспоминание об этой отдаленной эпохе сохранилось в самом названии «планета», что в переводе с греческого означает «блуждающая». Самые первые попытки отыскать определенные закономерности в этих блужданиях опирались на развитие астрономии и геометрии в Древней Греции и странах Востока — Китае, Индии, Египте. Они были непосредственно связаны с потребностями мореплавания, летосчисления и созданием календаря, а также с формированием начальных представлений о Вселенной. Согласно космологии Аристотеля (IV в. до н. э.), опиравшейся на еще более раннюю планетную теорию Евдокса Книдского, наблюдаемые движения планет объяснялись равномерным несоосным вращением друг относительно друга концентрических полых сфер, к внутренним поверхностям которых прикреплена каждая планета, а в центре находится Земля. В этой теории нашли свое отражение общие концепции философии Аристотеля, делившего весь «подлунный» мир на оболочки земли, воды, воздуха, огня и эфира. Значительно более строгое обоснование геоцентрической системы мира было дано позднее в трудах выдающегося древнегреческого астронома и географа Клавдия Птолемея, издавшего во II в. н. э. свое знаменитое сочинение «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах» — «Альмагест». Опираясь на идеи другого древнегреческого ученого-геометра Аполлония Пергского» заменившего вращающиеся планетные сферы Аристотеля кругами и тем самым заложившего ссновы теории эпициклов, Птолемей установил законы наблюдаемого движения планет, позволявшие предвычислять их положения. Тем самым были подведены итоги многовековых астрономических наблюдений и систематизирована вся совокупность знаний того периода. И хотя сами геометрические построения оказались исключительно сложными, что естественным образом было связано с ошибочностью исходных предпосылок о геоцентричности мира, труды Птолемея имели большое прогрессивное значение. Особенно велика была их практическая ценность для мореплавания и определения географических координат. Подлинно научные основы современной астрономии были заложены только приблизительно 15 веков спустя трудами великого польского ученого Николая Коперника (1473—1543). Он решительно отбросил геоцентрическую систему Птолемея и заменил ее гелиоцентрической системой мира, с Солнцем в центре и обращающимися вокруг него планетами, которая убедительно и просто объясняла их видимое движение, Изданный в 1543 г. выдающийся труд Коперника «Об обращениях небесных сфера стал поистине революционным шагом, определившим все последующее развитие астрономической науки. Однако потребовалось еще много лет, прежде чем на смену устоявшимся догмам средневековой схоластики, освященным церковью, пришло действительно научное мировоззрение. Астрономические наблюдения Г. Галилея (1564—1642) с помощью построенного им простейшего телескопа, теория движения планет, сформулированная и математически обоснованная И. Кеплером (1572—1630), переход от кинематического объяснения движений в Солнечной системе к динамическому благодаря открытию И. Ньютоном (1643—1727) закона всемирного тяготения— все это явилось блестящим подтверждением и подлинным триумфом коперниковского учения. Между тем запрет, наложенный инквизицией на исторический труд Коперника, официально был снят лишь почти 300 (!) лет спустя после его издания. Работы Коперника практически совпали по времени с началом эпохи великих географических открытий, когда невиданно быстрыми темпами стали расширяться представления о мире за ограниченными пределами европейского континента. Именно в этот период здесь начался процесс зарождения мануфактурного производства, послужившего основой последующего интенсивного промышленного развития ряда западноевропейских стран. Развитие промышленности предъявляло растущие требования к внутренним и внешним рынкам, стимулируя тем самым снаряжение многочисленных морских экспедиций. Благодаря этим экспедициям, предпринятым несколькими поколениями отважных мореплавателей, была окончательно доказана сферичность Земли (упоминавшаяся еще в учении пифагорейской школы в VI в. до н. з.), открыты новые земли и целые континенты, европейцы узнали об уникальных и порой экзотических регионах, приобщились к культуре населяющих их народов. Этот бурный процесс открытия и затем освоения новых обширных территорий фактически продолжался вплоть до нынешнего столетия, когда на нашей планете по существу уже не осталось «белых пятен». А современная авиация сократила время полета между континентами до нескольких часов. Начало изучения и освоения космоса, открытого 4 октября 1957 г. запуском первого советского искусственного спутника Земли, явилось крупнейшим свершением человечества. Нам посчастливилось быть современниками этого исторического достижения. Трудно переоценить его значение для астрономии, для наук о Земле, для повседневной хозяйственной деятельности людей, наконец, для культуры и социологии. Не касаясь здесь этих многочисленных аспектов, несомненно хорошо известных читателю, отметим лишь, что спутники и космические аппараты впервые позволили взглянуть на Землю как на планету из космоса и положили начало изучению ее разнообразных физических характеристик методами «обращенной астрономии», т. е. при помощи аналогов тех инструментов, которые используются астрономами на обсерваториях при исследовании излучения планет, звезд, туманностей. Были начаты ранее недоступные непосредственные исследования многообразных процессов и явлений, происходящих в ближайших окрестностях Земли, изучение их взаимосвязи с активностью Солнца, выявление определенных закономерностей. Наконец, благодаря полетам космических аппаратов стало возможным всестороннее изучение других ближайших небесных тел — соседей Земли по Солнечной системе. Этот период «знакомства» с небесными соседями, с их природными особенностями, начатый в 60-е годы нашего столетия, можно уподобить эпохе великих географических открытий, масштаб которых распространился ныне далеко за пределы Земли, почти на всю Солнечную систему. Совершенно очевидно, что космические исследования не привели к пересмотру фундаментальных концепций, основанных на астрономических наблюдениях,— механических характеристик планет или законов их движения. Наоборот, эти характеристики, добытые классическими методами оптической и радиоастрономии, были блестяще подтверждены и в ряде случаев уточнены. Однако полеты космических аппаратов обеспечили принципиально новое качество в получении сведений о физической природе планет, особенностях основных действующих природных механизмов,— одним словом там, где наземные средства наблюдений недостаточно эффективны или попросту бессильны. Можно поэтому без преувеличения сказать, что после некоторого периода относительного застоя планетная астрономия переживает сейчас период Высокого Возрождения. Открылся неведомый ранее лик планет, неизмеримо возросли возможности и эффективность наблюдений, расширился их диапазон. Стало доступным проведение непосредственно на небесных телах прямых физических экспериментов, подобных геофизическим исследованиям на Земле, изучение внеземного вещества в земных лабораториях. Такое вторжение геофизики в традиционные сферы астрономии, значительно большая, чем это было раньше, «доступность» Луны и планет естественным образом приблизили этот раздел астрофизики к комплексу наук о Земле, и процесс этот будет в дальнейшем несомненно углубляться. Историческое значение этого периода в жизни человечества, может быть, в полной мере будет оценено лишь нашими потомками, подобно тому, как мы, наверное, только сейчас можем в полной мере оценить научные подвиги Коперника, Галилея, Ньютона. Космологию Аристотеля от учения Коперника отделяет почти 20 столетий, создание уточненной теории движения планет от начала полетов к ним космических аппаратов — около трех веков. Исследования Солнечной системы продолжаются менее трех десятилетий, и поток открытий буквально ошеломляющий. Вполне вероятно, однако, что процесс этот в дальнейшем замедлится, и к началу нового тысячелетия рекогносцировочный этап исследования далеких окрестностей планетной системы и подробное изучение ближайшего окружения Земли в основном завершится. Одновременно такие традиционные разделы человеческих знаний, как геофизика, геохимия, геология, метеорология, будут во все большей степени становиться разделами космофизики, космохимии, планетологии, физики атмосфер планет, и это создаст необходимые предпосылки для более глубокого и всестороннего изучения нашей собственной планеты. Возрастет осознание значимости проблем комплексного изучения Земли и планет, вплотную поставленных перед человечеством XX века.
Об авторе
 Маров Михаил Яковлевич Доктор физико-математических наук, профессор, академик Российской академии наук, академик Международной академии астронавтики. Специалист в области механики природных сред, астрофизики, планетологии и космических исследований. Заведующий отделом Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН. Непосредственный участник разработки и осуществления отечественной программы космических исследований в 1960–1980-х гг.; сыграл важную роль в подготовке и реализации многолетней комплексной программы отечественных исследований Луны, Венеры и Марса на лунно-планетных космических аппаратах «Луна», «Венера», «Марс», «Вега», «Фобос». Ему принадлежат пионерские исследования в изучении Венеры и Марса. Им получены крупные научные результаты в разработке проблем механики многокомпонентных реагирующих газов, турбулентности неоднородных сред и методов их математического моделирования. Один из основателей нового раздела механики и физики космоса — планетной аэрономии. Внес вклад в разработку ключевых проблем планетной космогонии. Комплекс работ М. Я. Марова углубляет и расширяет наши представления о ключевых природных механизмах в космосе и открывает перспективы более тесной интеграции механики, астрофизики и наук о Земле. Опубликовал свыше 250 научных работ и 18 монографий. Главный редактор научного журнала РАН «Астрономический вестник. Исследования Солнечной системы». Председатель Комиссии РАН по изучению научного наследия К. Э. Циолковского. Лауреат Ленинской и Государственной премий СССР, Демидовской премии, Международной Галаберовской премии по астронавтике, Международной премии Элвина Сиффа. Награжден медалью Международного комитета по космическим исследованиям (КОСПАР) за планетные исследования. Имеет ряд правительственных наград, в том числе орден Трудового Красного Знамени, орден Почета, орден Дружбы. За выдающиеся научные достижения удостоен одной из высших наград РАН — Золотой медали им. М. В. Келдыша.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||