11_a_p_r-чва плвдаплядвы лпяыджлво плвпо лв
0 likes106 views
Документ представляет учебник по астрономии для 11-го класса, рекомендованный Министерством образования Украины, посвященный основам астрономии и ее историческому развитию. В нем рассматриваются ключевые темы, такие как изучение небесных тел, законы движения планет и важность астрономии для понимания окружающего мира, а также содержатся тесты и задания для проверки знаний. Учебник также предоставляет доступ к интернет-ресурсам астрономических обсерваторий и сведения об интересных астрономических событиях.
11_a_p_r-чва плвдаплядвы лпяыджлво плвпо лв
- 2. ББК 74.262.26я721 П75 Рекомендовано Міністерством освіти і науки України (Наказ № 236 від 16.03.2011 р.) А в т о р : М. П. Пришляк — професор кафедри фізики Харківського національного педагогічного університету ім. Григорія Сковороди Наукову експертизу проводила Головна астрономічна обсерваторія НАН України. Психолого-педагогічну експертизу проводив Інститут педагогіки НАПН України Пришляк М. П. П75 Астрономія: 11 кл.: підручник для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту, академічний рівень / М. П. Пришляк; за заг. ред. Я. С. Яцківа. — X.: Вид-во «Ранок», 2011.— 160 с: іл. — Рос. мовою. ІSВN 978—617—540—423—2. Підручник відповідає вимогам «Державного стандарту базової і повної середньої освіти» та навчальній програмі з астрономії для 11-річної ніколи. Основна мета підручника — сприяти формуванню базових астрономічних знань, показати їх необхідність для розуміння навколишнього світу. ББК 74.262.26я721 © М. П. Пришляк, 2011 ISBN 978—617—540—423—2 © ТОВВидавництво «Ранок», 2011
- 3. Предисловие Юные друзья! Вы начинаете изучение одной из наиболее давних и интерес ных наук — астрономии, которая исследует природу, происхожде ние и эволюцию как отдельных небесных тел, так и Вселенной в целом. В учебнике вы осуществите своеобразные космические путешествия сквозь пространство и время. В каждом из разделов вас ждут новые открытия. Раздел «Что изучает астрономия?» рассматривает историю за рождения науки астрономии и эволюцию представлений человека о Вселенной. В разделах «Основы практической астрономии» и «Измерение времени и календарь» вы научитесь распознавать созвездия на ноч ном небе, при помощи небесных светил ориентироваться на местно сти и измерять время. В ходе изучения «Законов движения планет» и «Основ космо навтики» вы выучите основные законы «небесной механики», ведь все космические тела, спутники и космические корабли двигаются согласно закону всемирного тяготения, который вы изучали в кур се физики. Вы узнаете, какой весомый вклад в освоение космоса сде лали выдающиеся украинские ученые. Из астрофизических разделов вы узнаете, какие физические условия существуют на поверхности планет Солнечной системы, по чему вокруг планет существуют кольца, как рождаются новые звезды и превращаются в пыль планетные системы. Кроме того, в учебнике вы найдете ответы на такие интерес ные вопросы: • Существовала ли между Юпитером и Марсом планета Фаэтон? • Почему 65 млн лет тому назад погибли динозавры? • Что влияет на изменения климата на Земле? • Сколько времени еще будет светить Солнце? • Можем ли мы долететь до черной дыры? • Что угрожает существованию земной цивилизации? Существуют ли во Вселенной «тёмная энергия» и «темная материя»? 3
- 4. ПРЕДИСЛОВИЕ К каждому разделу прилагаются тесты, проверочные вопросы и астрономические задачи. В учебнике вы найдете сведения о телескопах, при помощи которых ученые исследуют поверхность Луны, спутники Юпитера, кольца Сатурна, а также наблюдают галактики, расположенные на расстоянии десятков миллионов световых лет от Земли. В учебнике представлены электронные адреса астрономических обсерваторий Украины и других стран мира. С помощью сети Ин тернет можно получить фото небесных светил, сделанные не только телескопами с поверхности Земли, но и с помощью космического телескопа Хаббла (http://www.stsci.edu/hst/). Условные обозначения Для любознательных Ключевые понятия и термины Выводы Обращаем особое внимание на то, что во время астрономи ческих наблюдений нельзя смотреть на Солнце ни в телескоп, ни невооруженным глазом. Вопросы, тесты и задачи Диспуты на предложенные темы Задания для наблюдений
- 5. Изучив этот параграф, мы узнаем: о далеких космических светилах и представим себе огромные масшта бы Вселенной, в которой мы живем; где находится наша планета во Вселенной и определим наш космиче ский адрес. Предмет астрономии Название астрономия заимствовано из греческого языка (as- tron — звезда, nomos — закон), то есть это наука, изучающая законы звезд. Сейчас известно, что во Вселенной кроме звезд (рис. 1.1) суще ствует много других космических тел и их комплексов — планет, асте роидов, комет, галактик, туманностей. Поэтому астрономы изучают все объекты, находящиеся за пределами Земли, и их взаимодействие меж ду собой. Слово космос в переводе с греческого означает порядок, в от личие от хаоса, где царит беспорядок. То есть древнегреческие ученые понимали, что во Вселенной действуют законы, поэтому на небе суще ствует определенный порядок. В наше время под словом космос мы представляем себе Вселенную. В современной астрономии используют ся различные методы исследования Вселенной. Астрономы не только собирают информацию о далеких мирах, изучая излучение, поступаю щее из космоса на поверхность Земли, но и проводят эксперименты в ближнем и дальнем космическом пространстве. Вселенная в широ ком смысле этого слова — все сущее, находящееся на Зем ле и за ее пределами. Рис. 1.1. Звезда — мас сивное горячее космиче ское тело, которое излу чает свет и имеет внутри источник энергии. (Фото графия Солнца) 5
- 6. Краткая история астрономии Издавна небо поражало воображение людей своей загадочностью, но много веков оставалось для них недоступным и потому священ ным. Фантазия людей населила небо богами, управляющими миром и решающими судьбу каждого человека. Ночью призрачное сияние звезд завораживало людей, поэтому древние астрономы объединили отдельные звезды в фигуры людей и животных — так появились на звания созвездий. Затем были замечены светила, движущиеся среди звезд,— их назвали планетами (с греч.— блуждающая; рис. 1.2). Первые попытки объяснить таинственные небесные явления были предприняты в Древнем Египте более 4000 лет назад и в Древ ней Греции еще до начала нашей эры. Египетские жрецы составили первые карты звездного неба (рис. 1.3), дали названия планетам. Великий древнегреческий философ и математик Пифагор в VI в. до н. э. вы двинул идею, что Земля имеет форму ша ра и «висит» в пространстве, ни на что не опираясь. Астроном Гиппарх во II в. до н. э. определил расстояние от Земли до Луны и открыл явление прецессии оси обраще ния Земли. Древнегреческий философ Клавдий Птолемей (рис. 1.4) во II в. н. э. создал геоцентрическую систему мира, в которой Земля находится в центре. Землю в про странстве окружают 8 сфер, на которых расположены Луна, Солнце и пять извест ных в то время планет: Меркурий, Вене- Рис. 1.2. Планета — холодное по срав нению со звездой космическое тело, которое обращается вокруг звезды и светится ее отраженными лучами Рис. 1.3. Часть древней карты звездного неба. Принцессу Андромеду принесли в жертву чу довищу Киту. Спас кра савицу Персей, отрубив голову Медузе Горгоне, от взгляда которой все каменели б
- 7. pa, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.6). На 8-й сфере находятся звезды, которые соединены между собой и обращаются вокруг Земли как единое целое. В XVI в. польский астроном Николай Коперник (рис. 1.5) предложил гелиоцентрическую систему ми ра, в которой в центре находится Солнце, а планета Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам (рис. 1.7). Гениальность открытия Коперником гелиоцентри ческой системы мира состояла в том, что он, разрушив границу между небом и Землей, выдвинул гипотезу, что во Вселенной действуют одни и те же законы, справед ливые как на Земле, так и в космосе. В 1609 г. итальянский физик Галилео Галилей (рис. 1.8) впервые применил телескоп для наблюде ния за небесными светилами, открыл спутники Юпи тера и увидел звезды Млечного Пути. XVIII в. в истории астрономии связан с именем английского ученого Исаака Ньютона (рис. 1.9), ко торый открыл закон всемирного тяготения. Заслуга Ньютона заключается в том, что он доказал универ сальность силы гравитации, то есть та же сила, ко торая действует на яблоко во время его падения на Землю, притягивает также Луну, обращающуюся во круг Земли. Сила притяжения управляет движением звезд и галактик, а также влияет на эволюцию всей Вселенной. Рис. 1.6. Геоцентрическая система мира: Рис. 1.7. Гелиоцентрическая система мира: в центре Земля, а все остальные небесные в центре находится Солнце. Земля вместе тела обращаются вокруг нее. (Древняя гра- с планетами обращается вокруг него. (Гра вюра) вюра XVII в.) Рис. 1.4. Птолемей (90—160) Рис. 1.5. Н. Коперник (1473—1543)
- 8. § 1 . ЧТО ИЗУЧАЕТ АСТРОНОМИЯ? Рис. 1.8. Г. Галилей (1564—1642) В XIX в. начался новый этап в изучении кос моса, когда немецкий физик Йозеф Фраунгофер в 1814 г. открыл линии поглощения в спектре Солн ца — фраунгоферовы линии (рис. 1.10), затем ли нии поглощения были обнаружены в спектрах других звезд. С помощью спектров астрономы определяют химический состав, температуру и даже скорость движения космических тел. В XX в. создание выдающимся немецким фи зиком Альбертом Эйнштейном общей теории относи тельности помогло астрономам понять странное крас ное смещение линий поглощения в спектрах далеких галактик, которое было открыто американским астро номом Эдвином Хабблом в 1929 г. Хаббл доказал, что галактики разлетаются, и позже ученые создали тео рию эволюции Вселенной от ее зарождения до совре менности. Это послужило толчком к созданию новой науки — космологии. 4 октября 1957 г. началась эра космонавтики. В этот день в Советском Союзе был запущен в кос мос первый в мире искусственный спутник Земли (рис. 1.11), в создании которого принимали участие и украинские ученые. Сегодня в космосе летают сот ни автоматических станций, которые исследуют не только околоземное пространство, но и другие пла неты Солнечной системы. Рис. 1.9. И. Ньютон (1643—1727) Рис. 1.10. Спектр Солнца. Темные линии поглощения образуются в атмосферах Земли и Солнца Рис. 1.11. Первый в ми ре искусственный спут ник Земли (СССР) 8
- 9. §1. ЧТО ИЗУЧАЕТ АСТРОНОМИЯ? Наш космический адрес Мы живем на Земле — одной из планет Солнечной системы. Эти планеты движутся по своим орбитам вокруг Солнца. Большин ство планет (кроме Венеры и Меркурия) имеют спутники, которые обращаются вокруг своей планеты. В Солнечную систему кроме Солн ца и планет со спутниками входят также сотни тысяч астероидов, или малых планет, миллионы кометных ядер и метеорное вещество. Относительно Солнца планеты располагаются в следующем порядке: ближайшая — Меркурий, за ним — Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун (рис. 1.12). Рис. 1.12. Относительные размеры Солнца и планет Солнечной системы. Средний радиус Земли 6370 км Количественный состав Солнечной системы: (на 2011 г.) За Нептуном вокруг Солнца обращаются еще тысячи малых планет, которые почти не освеща ются его лучами. Расстояния в космическом пространстве на столько велики, что измерять их в обычных для нас километрах неудобно, поэтому астрономы выбрали единицами измерения астрономическую единицу и световой год. Вне Солнечной системы, на расстоянии более чем 100000 а. е., начинается зона притяжения других звезд. Невооруженным глазом на небе можно увидеть около 6000 звезд, которые образуют 88 созвездий. На самом деле звезд на много больше, но от далеких светил поступает так мало света, что их можно наблюдать только в телескоп. Большие скопления звезд, удер живающиеся силой тяжести, называют галактиками. Во Вселенной Сонце (звезда) 1 Планеты 8 Планеты-карлики 3 Спутн. планет свыше 150 Астероиды свыше 500000 Кометы свыше 1000000 Метеорное вещество
- 10. § 1 . ЧТО ИЗУЧАЕТ АСТРОНОМИЯ? Астрономическая единица (а. е.) — среднее расстояние от Земли до Солнца. Световой год — рас стояние, которое преодолевает свет за 1 год, двигаясь со ско ростью 300000 км/с. находятся миллиарды галактик, среди них есть и на ша Галактика (пишется с большой буквы), которую называют Чумацкий Шлях или Млечный Путь. На ночном небе мы видим ее как серебристую полосу (рис. 1.13). Наша Галактика (с греч.— Млечный Путь) — это огромная система, в которой обращают ся вокруг центра 400 млрд звезд. Горячие звезды рас положены в виде диска со спиральными рукавами. Из других галактик, видимых невооружен ным глазом, выделяется Туманность Андромеды. Эта звездная система по размерам и форме подобна нашей Галактике, и свет от нее долетает до Земли за 2,3 млн лет, то есть расстояние до нее — 2,3 млн св. лет. Галактики расположены в скоплениях и форми руют ячеистую структуру Вселенной. Наиболее удаленные космические объекты, ко торые еще можно увидеть в современные телеско пы,— квазары (см. § 15). Они находятся на расстоя нии 10 млрд св. лет от Земли. Другие галактики — звездные системы, состоящие из милли ардов звезд, обраща ющихся вокруг обще го центра Рис. 1.13. Галактика Млечный Путь. Диаметр основной части дис- ка — 100000 св. лет, расстояние от Солнца до центра Галактики — 25 000 св. лет 10
- 11. §1. ЧТО ИЗУЧАЕТ АСТРОНОМИЯ? Если в будущем земляне захотят обмениваться информацией с другими мирами, то наш космический адрес можно записать так: Украина, планета Земля, Солнечная система, Галактика, Вселен ная (рис. 1.14). Для любознательных Во Вселенной зарегистрировано около 10 млрд галактик. Если в каждой га лактике насчитывается в среднем 10 11 звезд, то общее количество звезд во Вселен ной достигает фантастической цифры 10 21 . Это астрономическое число с 21 нулем представить себе трудно, поэтому можно посоветовать следующее сравнение. Если разделить все звезды во Вселенной на количество людей на Земле, то каждый из нас был бы обладателем одной галактики, то есть примерно 200 млрд звезд. Основные разделы астрономии Современная астрономия — чрезвычайно раз ветвленная наука, развитие которой напрямую связа но с научно-техническим прогрессом человечества. Астрономия делится на отдельные направления, в ко торых используются присущие только им методы и средства исследования. Космология — раздел астрономии, изучающий строение и эволюцию Вселенной как единого целого. Возможно, в будущем космология объединит все есте ственные науки: физику, математику, химию, био логию, философию — для того чтобы дать ответ на основные проблемы нашего бытия (см. § 15, 16, 17): — Как возник мир, в котором мы живем, и по чему он является таким, каким мы его сейчас на блюдаем? — Как возникла жизнь на Земле и существует ли жизнь во Вселенной? — Что ожидает нашу Вселенную в будущем? Для любознательных Иногда астрономию отождествляют с астрологией, так как их названия похожи. На самом деле между астро номией и астрологией есть существенное отличие: астроно мия — это наука, которая изучает происхождение и эволю цию космических тел, а астрология не имеет ничего общего с наукой, поскольку предполагает, что с помощью звезд можно предсказать будущее. Астрологи рисуют различные схемы расположения звезд и планет, составляют гороско пы (с греч.— заглянуть в будущее), при помощи которых предсказывают судьбу человека. Астрометрия — раз дел астрономии, изу чающий положение и движение небесных тел и их систем Небесная механи ка — раздел астро номии, изучающий законы движения небесных тел Астрофизика — раз дел астрономии, изу чающий природу кос мических тел: их строение, химиче ский состав, физиче ские свойства Космология изучает строение и эволю цию Вселенной как единого целого 11
- 12. Рис. 1.14. Наш космический адрес 12
- 13. § 1 . ЧТО ИЗУЧАЕТ АСТРОНОМИЯ? Выводы Астрономия — это наука, изучающая различные космические тела и их системы, а также процессы, происходящие при взаимодействии этих тел между собой. В течение последнего тысячелетия представления людей о Вселенной су щественно изменились — от геоцентрической системы мира Птолемея с хрусталь ными сферами вокруг Земли к современной величественной картине безгранично го космоса. Астрономия тесно связана с другими естественными науками — физикой, химией, математикой, биологией, философией, потому что на Земле и в космосе дей ствуют одни и те же законы природы. В нашей Вселенной нет ничего вечного — образуются и взрываются звезды и планеты, рождаются и гибнут цивилизации... Вечным остается только один вопрос: «Почему существует Вселенная и почему в этом странном мире живем мы?» Т е с т ы 1. Какое тело находится в центре геоцентрической системы мира? А. Солнце. Б. Юпитер. В. Сатурн. Г. Земля. Д. Венера. 2. Какую планету открыл Коперник? А. Марс. Б. Сатурн. В. Уран. Г. Землю. Д. Юпитер. 3. Что измеряется световыми годами? А. Время. Б. Расстояние до планет. В. Период обращения. Г. Расстояние до звезд. Д. Расстояние до Земли. 4. Как переводится с греческого языка слово планета? А. Волосатая звезда. Б. Хвостатая звезда. В. Блуждающая звезда. Г. Туман ность. Д. Холодное тело. 5. Какую структуру имеет наша Галактика? А. Эллиптическую. Б. Спиральную. В. Неправильную. Г. Шаровидную. Д. Ци линдрическую. 6. Какая разница между геоцентрической и гелиоцентрической системами мира? 7. В какой последовательности относительно Солнца расположены планеты Солнечной системы? 8. Могут ли существовать тела за пределами орбиты Нептуна? 9. Что измеряется астрономическими единицами? 10. Рассчитайте величину (до третьего знака) 1 св. года в километрах. 11. Вычислите, за какое время свет долетает от Солнца до Земли; Нептуна; гра ниц Солнечной системы. Скорость света считайте равной 300000 км/с. Диспуты на предложенные темы ; 12. Что такое астрология? По вашему мнению, можно ли считать астрологию наукой? Задания для наблюдений ; 13. Самостоятельно найдите на небе яркие звезды, которые обозначены на кар те звездного неба. Зарисуйте яркие звезды, расположенные у вас над голо вой. Сравните ваши рисунки с картой звездного неба. К каким созвездиям относятся эти звезды? 14. Найдите среди ярких звезд такую, которая не обозначена на звездной карте. Это может быть какая-то планета или, возможно, вы открыли новую звезду! Ключевые понятия и термины: = Астрономическая единица, астрофизика, Галактика, гелиоцентрическая система ми ра, геоцентрическая система мира, звезда, небесная механика, планета, световой год. 13
- 14. Изучив этот параграф, мы: I осмыслим наши представления о небесной сфере как вспомогатель ной поверхности для отсчета сферических координат небесных тел; научимся ориентироваться на поверхности Земли при помощи небес ных светил. Небесная сфера Во время наблюдений за звездами нам кажется, что все небес ные светила расположены на одинаковом расстоянии и светятся на поверхности огромной сферы, в центре которой находится наблюда тель. Известно, что звезды и планеты расположены на разных расстояниях от Земли (рис. 2.1, 2.2), а на ша планета — не в центре Вселенной, поэтому такую небесную сферу считают вспомогательной при опре делении сферических координат светил. На такую вспомогательную сферу проецируются изображения звезд и планет, и мы можем измерить только углы между направлениями на эти светила. При этом центр небесной сферы может располагаться в любой точке пространства. В зависимости от этого различают топо- центрические, геоцентрические или гелиоцентриче ские координаты. Рис. 2.1. Созвездие Орион (древняя карта звездного неба) Созвездия — участ ки небесной сферы, на которые разделе ны отдельные группы звезд для удобства ориентирования Рис. 2.2. Звезды в со звездии Орион располо жены на разном рассто янии от Земли, а нам кажется, что они све тятся на поверхности сферы 14
- 15. §2. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ На небесной и земной сферах можно провести воображаемые круги, с помощью которых определя ются небесные координаты светил (рис. 2.3, а). На земной сфере существуют две особые точки — географические полюса, где ось вращения Земли пе ресекает поверхность планеты (N, S — соответствен но Северный и Южный полюса). Плоскость земного экватора, которая делит нашу планету на северное и южное полушарие, проходит через центр Земли перпендикулярно к ее оси вращения. Меридианы на Земле проходят через географические полюса и точ ки наблюдения. Начальный (нулевой) меридиан про ходит вблизи местонахождения бывшей Гринвичской обсерватории. Если продолжить ось вращения Земли в космос, то на небесной сфере мы получим две точки пересече ния, которые называются полюсами мира (рис. 2.3, б): Северный полюс (в современную эпоху у Полярной звезды) и Южный полюс (в созвездии Октант). Плоскость земного экватора пересекается с небесной Воображаемая не бесная сфера произ вольного радиуса по могает определить координаты небес ных светил Полюс мира — точка пересечения оси вра щения Земли с небес ной сферой Небесный эква тор — линия пере сечения плоскости земного экватора с небесной сферой Рис. 2.3. Основные точки и линии системы координат: о — земной (географической), б — небесной 15
- 16. §2. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ Небесный мериди ан — линия пересе чения плоскости земного меридиана с небесной сферой сферой, и в сечении мы получим небесный экватор, ко торый делит небо на два равных полушария — Север ное и Южное. Но есть одно существенное различие меж ду полюсами и экватором на земном шаре и полюсами мира и небесным экватором. Географические полюса ре ально существуют как точки на поверхности Земли, где ось вращения Земли пересекается с поверхностью пла неты, и к ним можно долететь или доехать так же, как и до экватора. Полюсов мира как реальных точек в космическом пространстве нет, потому радиус небесной сферы является неопределенным и мы можем обозначить только направление, в котором они наблюдаются. Ориентирование на местности В повседневной жизни для определения направления мы ис пользуем ориентиры, которые нам хорошо знакомы,— дома, дороги, реки и т. д. Если мы попадаем в незнакомую местность, то наши привычные ориентиры исчезают, и мы можем заблудиться. В этом случае надежными ориентирами могут быть небесные светила, ибо они нам светят и дома, и на чужбине. Для ориентирования на поверхности Земли астрономы приме няют термины отвесная линия и горизонт. Направление отвесной ли нии задается силой притяжения Земли в точке наблюдения. Его мож но определить с помощью обычного отвеса, который подвешивают на нитке. Предположим, что наблюдатель на ходится на поверхности Земли в точке О, которая имеет географическую широту ср (рис. 2.4). Направление ООх по отвесу вниз называют надиром, противоположное на правление OZ, вверх,— зенитом. Сейчас горизонт определяют как плоскость, пер пендикулярную к отвесной линии. Горизонт, или линия пересечения плоскости горизонта с небесной сферой, является окружностью, в центре которой находится наблюдатель. На горизонте раз личают четыре точки: N — север, S — юг, Е — восток, W — запад, с помощью которых люди ориентируются и опреде ляют направление во время путешествий (рис. 2.5). Рис. 2.4. Плоскость математического горизонта пер пендикулярна к отвесной линии 16
- 17. §2. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ Рис. 2.5. Ночью надеж ным ориентиром может быть Полярная звезда Р1 на которую направ лена ось обращения Земли. Если смотреть на Полярную звезду, то впереди будет направ ление на север, поза ди — на юг, справа — на восток, слева — на запад. Точка Q — куль минация Солнца Кульминация — пе ресечение светилами небесного меридиана вследствие суточного обращения Земли во круг оси Рис. 2.6. В полдень тень от палочки направлена на север Вследствие вращения Земли вокруг оси пло скости меридиана и горизонта в течение суток смеща ются в пространстве относительно звезд, но нам на поверхности Земли кажется, что все происходит на оборот — небесные светила движутся относительно горизонта. Мы говорим, что Солнце восходит, когда оно появляется над горизонтом на востоке. Затем Солнце поднимается все выше и выше и в полдень занимает наибольшую высоту над горизонтом. Этот момент астроно мы называют верхней кульминацией (от лат.— вершина). Верхняя кульминация наступает в тот момент, когда Солнце пересекает пло скость меридиана и находится над точкой юга. Момент верхней кульминации Солн ца можно определить с помощью палочки, установленной перпендикулярно к гори зонту (рис. 2.6). Для определения кульми нации внимательно следите за длиной те ни: когда Солнце находится над точкой юга, тень указывает направление на север и имеет наименьшую длину. Только в марте и сентябре Солнце восходит вблизи точки восхода, а заходит возле точки запада. Летом Солнце восхо дит на северо-востоке, а заходит на северо- западе. Зимой Солнце восходит на юго- востоке, а заходит на юго-западе. Некоторые звезды на наших широ тах никогда не заходят, поэтому на небе мы можем увидеть не только верхнюю, но и нижнюю кульминацию, когда светило находится ниже всего над горизонтом. 17
- 18. §2. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ Небесные координаты: — прямое восхо ждение; — склонение Экваториальная система небесных координат и карты звездного неба Основными плоскостями в этой системе координат являются плоскости небесного экватора и круг склонений. Для определения экваториальных небесных координат светила S проводят круг скло нений через полюсы мира Р1 и Р2 , который пересе кает небесный экватор в точке М (рис. 2.7). Первая координата называется прямое восхождение и от- считывается по дуге небесного экватора от точки ве сеннего равноденствия против хода часовой стрел ки, если смотреть с Северного полюса, и измеряется часами. Вторая координата — склонение, опреде ляется дугой круга склонений MS от экватора к данному светилу и измеряется градусами. К северу от экватора склонение положи тельное, к югу — отрицательное. Границы определения экваториаль ных координат следующие: Карта звездного неба в форме прямоугольника является опреде ленной проекцией небесной сферы на плоскость, на которой обозна чены экваториальные координаты (рис. 2.8). Эти координаты не зависят от места наблюдения на Земле и почти не меняются в те чение года, поэтому картой звездного неба можно пользоваться в лю бой стране. Правда, через тысячи лет экваториальные координаты звезд могут существенно измениться, поскольку меняется со време нем положение небесного экватора и полюсов мира, к тому же звез ды обращаются вокруг центра Галактики (см. § 15). Существует карта звездного неба в ви де круга. Северный полюс мира находится в центре карты вблизи Полярной звезды. Круг склонений в проекции на плоскость карты имеет вид радиальной линии, кото рую проводят от Северного полюса мира. Небесный экватор на карте изображен вы деленной окружностью, а концентрические круги для различных склонений проведены через каждые 30°. Координату на карте определяют как отрезок радиальной линии от экватора к данной звезде. Склонение звезд на эк ваторе равно 0°, а на Северном полюсе ми- Рис. 2.7. Экваториальная система небесных координат
- 19. §2. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ • '••.'"'ЛЯНвЯМ Рис. 2.8. Карта звездного не ба экваториальной зоны. Да ты, когда эти созвездия куль минируют в вечернее время, обозначены внизу карты. От ыщите их после захода Солн ца в южной части небосвода ра +90°. Прямое восхождение на карте определяют как дугу экватора от точки весеннего равноденствия к радиальной линии, проведенной от полюса мира через данную звезду. Для удобства обозначена на экваторе через каждый час (1 h , 2 h , 3 h ...). Вследствие обращения Земли вокруг оси плоскость горизонта смещается в пространстве, поэтому все светила тоже изменяют свое положе ние относительно горизонта. Момент, когда некоторые светила пере секают плоскость горизонта, называют восходом или заходом све тила. Моменты восхода-захода небесных светил можно определить с помощью подвижной карты звездного неба, или планисферы, на которой есть специальный накладной круг с линией горизонта и ме ридианом. Такой картой можно пользоваться в любой стране север ного полушария на географической широте Украины (+50° ±5°). Для любознательных На звездных картах не изображены планеты, поскольку они обращаются вокруг Солнца и со временем изменяют свои экваториальные координаты. Для определения положения планет относительно звезд надо пользоваться астроно мическим календарем (см. § 3, 4). Выводы Воображаемая небесная сфера помогает определить положение космиче ских тел в определенной системе координат. На картах звездного неба используют экваториальную систему координат, в которой положение звезд определяют при по мощи прямого восхождения и склонения. Небесные светила помогают также опре делить стороны горизонта в случае, если мы заблудились в незнакомой местности. 19
- 20. §2. ОСНОВЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ Тесты 1. Северный полюс мира находится: А. В Арктике. Б. В Антарктике. В. В созвездии Орион. Г. В созвездии Боль шая Медведица. Д. Вблизи Полярной звезды. 2. Момент, когда светило имеет самую большую высоту над горизонтом, назы вается: А. Прямое восхождение. Б. Верхняя кульминация. В. Нижняя кульминация. Г. Верхняя культивация. Д. Нижняя культивация. 3. Можно ли в Канаде и Украине одновременно увидеть созвездие Большая Медведица? А. Нельзя. Б. Можно только летом. В. Можно только зимой. Г. Можно в лю бой момент. Д. Можно только весной. 4. Можно ли в Австралии и Украине одновременно увидеть Полярную звезду? А. Нельзя. Б. Можно только летом. В. Можно только зимой. Г. Можно в лю бой момент. Д. Можно только осенью. 5. Как называются точки пересечения небесной сферы с осью обращения Зем ли, продолженной в космос? А. Зенит. Б. Надир. В. Полюс мира. Г. Географический полюс. Д. Горизонт. 6. Когда наступает кульминация Солнца? 7. В какие дни года Солнце восходит в точке востока и заходит в точке запада? 8. Можно ли в Австралии с помощью Полярной звезды находить направление на север? 9. Как можно, находясь на Северном полюсе Земли, определить направление на юг? 10. Отыщите на карте звездного неба какую-нибудь яркую звезду. С помощью накладного круга к карте измерьте моменты, когда восходит, заходит и куль минирует эта звезда. 11. С помощью подвижной карты звездного неба определите, какие созвездия никогда не заходят для наблюдателя в Украине. Диспуты на предложенные темы 12. Можно ли пользоваться нашей картой звездного неба на поверхности дру гих планет Солнечной системы? Во время межпланетных полетов? На пла нетах, обращающихся вокруг других звезд? Задания для наблюдений ' 13. Найдите Полярную звезду и определите направление меридиана с севера на юг относительно вашего дома. Нарисуйте схему расположения вашего до ма относительно меридиана и определите угол между меридианом и любой стеной вашего дома. 14. Лабораторная работа № 1 «Определение географической широты на мест ности с помощью Полярной звезды». Ключевые понятия и термины: Зенит, кульминация, небесный экватор, небесный меридиан, небесная сфера, прямое восхождение, полюса мира, склонение, точка весеннего равноденствия
- 21. Изучив этот параграф, мы узнаем: как при помощи Солнца определяют время; • на сколько минут местное время отличается от киевского времени; • почему происходит смена времен года на Земле; • почему невозможно создать идеальный календарь. Солнечные сутки — время, за которое Земля совершает полный поворот во круг своей оси отно сительно Солнца. 1 час= 1/24 суток 1 час=60 мин = 3600 с Измерение времени Время является философской, физической и социальной ка тегорией, поэтому задача точного измерения времени — одна из важ нейших проблем современной науки. Из нашего опыта известно, что время «течет» равномерно, подобно воде в спо койной, тихой реке. По этому принципу в древности были сконструированы водяные и песочные часы. Со временем создали механические часы, действие ко торых основано на принципе периодических коле баний маятника, который долго может сохранять постоянным период своих колебаний. А принцип дей ствия точных современных электронных часов бази руется на использовании колебаний в электромагнит ном поле кристаллов, или даже отдельных молекул. На протяжении веков вид часов менялся (рис. 3.1, 3.2), точность измерений увеличивалась, но некоторые единицы для измерения времени остались теми же — год и сутки, потому что они свя заны с движением Земли вокруг Солнца и ее вращением вокруг своей оси. Для определения угловой скорости обращения Земли ори ентирами могут служить Солнце, звезды и другие небесные све тила. Поэтому и используют две системы отсче та времени — звездное время и солнечное время. Звездное время, преимущественно, используют астро номы, а в повседневной жизни все люди приме няют только солнечное время. Промежуток вре мени, за который Земля совершает полный оборот вокруг своей оси относительно Солнца, называют солнечными сутками. Сутки делятся на 24 ча са. По традиции начало солнечных суток (0 ч) наступает в полночь. Солнечное время в определенном месте, или местное время, можно определить при помощи Рис. 3.1. Старинные солнечные часы 21
- 22. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ Рис. 3.2. Первые атом ные часы Рис. 3.3. Часовые поя са. Земля разделена на 24 пояса, в каждом из которых все часы пока зывают одинаковое время. Переезжая из одного пояса в другой, путешественники пере водят стрелки часов на целое число часов солнечных часов — обычной палочки, тень от кото рой поможет приблизительно измерить местное время. Местный полдень — 12 часов по местному времени наступает в тот момент, когда происходит верхняя кульминация Солнца (тень от палочки самая корот кая; см. § 2). В повседневной жизни пользоваться местным временем неудобно, потому что в каждой точке на поверхности Земли оно разное, и мы, переез жая из одного места в другое, должны были бы постоянно переводить стрелки часов на несколь ко минут. Эта проблема устраняется, если поль зоваться поясным временем, которое ввели в конце XIX в. Землю разделили меридианами на 24 ча совых пояса и договорились, что все часы в одном поясе будут показывать одинаковое время, равное местному времени среднего меридиана (рис. 3.3). Путешественники переводят часы на один час только при пересечении границы соответствующе го пояса. Нулевой пояс проходит через Гринвичский ме ридиан, поэтому часы в Великобритании показыва ют местное время Гринвичского меридиана — это время называют всемирным временем. В современ ных мобильных телефонах местное время нулевого 22
- 23. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ пояса обозначают GMT (с англ. Гринвичское сред нее время). Западная Европа живет по времени пер вого пояса, которое на 1 час опережает всемирное. Украина находится во втором поясе, поэтому вре мя, которым пользуются ее жители (киевское вре мя), опережает всемирное время на 2 часа. Если по ехать на запад, в Польшу, то стрелки наших часов нужно перевести на 1 час назад, а если ехать на восток, в Россию, например в Москву, то на 1 час вперед. Разница между местным и киевским временем определяется разницей географических долгот Киева и места наблюдения. По меридиану с долготой 180° проходит линия смены дат. Для тех, кто ее пересекает, есть воз можность путешествовать не только в пространстве, но и во времени. Например, если лететь из Азии на восток, в Америку, 1 января, то следующий день тоже будет 1 января, то есть возникает на первый взгляд фантастическая возможность прожить тот же день дважды. Зато когда пассажиры летят в об ратном направлении, из Америки на запад, в Азию, то в течение перелета через несколько часов мож но прожить 2 суток — после 1 января сразу насту пит 3 января. Местное время опре деляется с помощью солнечных часов. Каж дый меридиан имеет свое местное время Поясное время равняется местному времени среднего меридиана соответ ствующего пояса Всемирное время (англ. UT) — точное время Гринвичского меридиана. Всемир ное время применя ют в астрономии для определения момен тов различных косми ческих событий Киевское время — время второго пояса, которое на 2 часа опережает всемир ное время Для любознательных Весной, в последнее воскресенье марта, все часы большинства стран Ев ропы переводят на 1 час вперед, вводится так называемое летнее время, поэто му летом киевское время будет опережать местное время всех городов Украины. Фактически, Западная Европа переходит на киевское время, а Украина — на мо сковское. Например, летом местное время даже на востоке Украины, в Луганске, отстает от киевского на 23 мин, и полдень на Луганском меридиане наступает в 12 ч 23 мин по московскому времени. Правда, не во всех странах мира перево дят стрелки часов на летнее время. Нет смысла вводить летнее время в тропиче ской зоне, там продолжительность дня в течение года почти одинакова — 12 ч. В России на значительной территории продолжительность летнего дня превы шает 20 часов, поэтому там тоже отказались от перевода стрелок часов. В апреле 2011 г. в России ввели постоянное летнее время, поэтому московское время зимой будет опережать киевское на 2 часа. Солнечное время и зодиак Слово «зодиак» (от греч.— круг животных) впервые стали упо треблять для определения особых созвездий еще несколько тысяч лет назад. Это название связано с тем, что Солнце, Луна и планеты 23
- 24. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ Рис. 3.4. Орбита Земли и зодиак. Плоскость, в которой обращается Земля вокруг Солнца, остается неизменной относительно звезд. Линия пересечения плоскости орбиты Зем ли с мнимой небесной сферой называется эклиптикой. 12 созвез дий, которые пересека ет эклиптика, называют зодиакальными Рис. 3.5. Явление пре цессии демонстрирует детская юла, вращаю щаяся вокруг собствен ной оси, в то время как ее ось описывает конус в пространстве Солнечной системы можно наблюдать на фоне 12 зо диакальных созвездий, которые образуют на небесной сфере большой круг, и среди названий этих созвез дий преобладают названия живых существ. На рис. 3.4 изображены орбита Земли, далекие созвездия и через каждые 30° проведены линии, обо значающие положение нашей планеты относительно звезд через каждый месяц. Таким образом, мы можем обозначать движение Земли по орбите и отмечать боль шие промежутки времени. За начало отсчета дви жения Земли возьмем точку весеннего равноденствия. Если 21 марта соединить Землю и Солнце прямой ли нией и продолжить ее в космос, то эта прямая где-то далеко пересекает воображаемую небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках, одна из которых находится в созвездии Девы (со стороны Земли), другая — в созвездии Рыб (за Солнцем). В марте созвездия Рыб не видно, потому что оно находится за Солнцем. Астрономы этот момент описы вают так: «21 марта Солнце находится в направлении созвездия Рыб в точке весеннего равноденствия». Двигаясь вместе с Землей по орбите, мы в тече ние года наблюдаем Солнце в разных направлениях на фоне различных созвездий. Если каждый день обозна чать положение центра Солнца относительно далеких звезд, то можно получить большой круг небесной сфе ры, называемый эклиптикой (от греч.— затмение). Математическое определение эклиптики — это линия 24
- 25. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ Прецессия — смеще ние оси вращения Земли относительно звезд. Ось вращения Земли описывает в космосе конус с пе риодом 26000 лет. пересечения плоскости орбиты Земли с небесной сфе рой, то есть плоскость эклиптики совпадает с пло скостью орбиты Земли. Плоскость эклиптики на протяжении веков за нимает постоянное положение относительно звезд, но полюса мира постепенно смещаются в космическом пространстве. Это явление называют прецессией (от лат.— опережение; рис. 3.5). И если в наше время Северный полюс мира расположен в созвездии Малой Медведицы, то через 13000 лет он переместится в созвездие Лиры, и наши потом ки будут определять направление на север при помощи звезды Вега. Вследствие прецессии изменяется также положение плоскости небес ного экватора среди звезд, поэтому в будущем в Украине не будет видно созвездие Орион, зато наши потомки увидят ближайшую к нам звезду Проксиму Кентавра. Для любознательных Обратите внимание, что точка весеннего равноденствия находится в со звездии Рыб, но обозначается знаком Овна. Причина такого странного несоответ ствия заключается в том, что вследствие прецессии точка весеннего равноден ствия ежегодно смещается относительно звезд на 50". То есть за последние 2000 лет точка весеннего равноденствия переместилась почти на 30°, и через не сколько десятков лет будет находиться в созвездии Водолея. Еще через 13000 лет точка весеннего равноденствия переместится в созвездие Девы, а точка осеннего равноденствия будет наблюдаться в созвездии Рыб. Смена времен года на Земле Из курса природоведения известно, что ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты под углом 66,5°, и это приводит к сме не времен года на Земле. Если бы ось вращения Земли была пер пендикулярна к плоскости орбиты, то смены времен года не проис ходило бы, потому что Солнце в течение года освещало бы равномерно Северное и Южное полушария нашей планеты. Та кие дни, когда Солнце одинаково освеща ет два полушария Земли, наступают толь ко дважды в год — весной 20—21 марта, и осенью 22—23 сентября, когда на всех материках одинаковая продолжительность дня — 12 часов. В остальные месяцы про должительность дня больше или меньше Рис. 3.6. Угол между плоскостями экватора и эклиптики 23,5°, а угол между плоскостью эклиптики и полюсом мира 66,5°. Это является причиной смены времен года на Земле 25
- 26. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ Рис. 3.7. Освещение Земли солнечными луча ми зимой и летом. Боль ше энергии от Солнца получает тропическая зона, где в полдень сол нечные лучи могут па дать перпендикулярно к горизонту. Широта тропиков ±23,5° 12 часов и зависит от географической широты места наблюдения. Самый длинный день в Северном полушарии наступает 21—22 ию ня — начало астрономического лета, а в Южном полушарии в этот день начинается астрономическая зима. Через полгода, 21—22 дека бря, наоборот, в северном полушарии наступает астрономическая зи ма, а в южном — лето (рис. 3.7, 3.8.). На широте 50° (Киев, Львов, Харьков) продолжительность са мого длинного дня 22 июня — 16 ч 20 мин — в два раза больше продолжительности самого короткого дня 22 декабря — 8 ч. На ши роте 45° разница между самым длинным и самым коротким днем несколько уменьшается, поэтому в Крыму самый длинный день длится 15 ч 30 мин, а самый короткий — 8 ч 40 мин. Больше всего солнечной энергии поверхность Земли получает в полдень, когда наступает верхняя кульминация Солнца, а меньше всего — утром и вечером. Ночью Земля только охлаждается, поэтому средняя тем пература поверхности зависит также от продолжительности дня и ночи. Например, на широте 50° количество энергии, кото рую получает поверхность за летний день, достигает 25000 кДж/м2 . Интересно, что эта энергия даже больше, чем на экваторе, где круглый год продолжительность дня не изменяется и равна 12 часам. Зимой короткая продолжительность дня и небольшая высота Солнца над гори зонтом приводят к значительному умень шению солнечной энергии, обогревающей поверхность Земли. Например, в декабре количество энергии, которую получает единица поверхности на наших широтах в течение дня, почти в 7 раз меньше, чем в летний день. Рис. 3.8. Механический прибор XIX в., который демонстрировал движение планет и смену времен года на Земле 26
- 27. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ Современный наклон оси вращения к плоскости орбиты под углом 66,5° является оптимальным для различных климатических зон на поверхности Земли от тропиков до полярного круга. Все дру гие варианты изменения угла наклона оси вращения Земли приве ли бы к катастрофическим изменениям климата и глобальной эко логической катастрофе. Например, если бы ось вращения Земли была наклонена к плоскости орбиты под углом 50°, то полярный круг проходил бы через Украину, а тропики — через Черное море. На наших широтах летом в течение месяца Солнце не заходило бы за горизонт, а в полдень кульминация была бы вблизи зенита. Рас четы показывают, что летняя температура поверхности в Украине достигала бы критических для жизни величин от +60 до +80 °С. Если бы ось вращения Земли была перпендикулярна к плоскости орбиты, смены времен года вообще не было бы, и Европа могла бы превратиться в холодную полупустыню типа тундры. Для любознательных В полярных странах разница между самым длинным и самым коротким днем увеличивается. Например, в Москве самый длинный день длится 17 ч 40 мин, а самый короткий — 7 ч, в С.-Петербурге соответственно — 19 и 6 ч. На широ те С.-Петербурга в июне Солнце ненадолго заходит за горизонт, вследствие че го наблюдаются «белые ночи». В этот период, который длится почти месяц, яр кие звезды видны ночью только в южной части небосвода, а северный горизонт настолько яркий, что в полночь можно читать книги. Вблизи полюсов находятся области, где Солнце несколько ме сяцев не заходит за горизонт — тогда летом наблюдается полярный день. Зимой, наоборот, в полярных районах несколько месяцев Солн це не восходит — наступает полярная ночь. Границы этих областей называются полярными кругами. Они находятся на широте 66,5° обоих полушарий. Непосредственно на полюсах полярный день длится полгода и столько же длится полярная ночь. Например, на Северном полю се Солнце восходит 21 марта и заходит 23 сентября. В этот период склонение Солнца больше нуля. На Южном полюсе, наоборот, по лярный день длится с 23 сентября по 21 марта. Календари Календари созданы для измерения больших про межутков времени. В современном календаре всех ев ропейских стран за основу берется 1 тропический год — период обращения Земли вокруг Солнца относительно точки весеннего равноденствия , но при создании иде ального календаря возникает осложнение, так как тро пический год не имеет целого числа суток. Тропический год (365 суток 5 ч 48 мин 46 с) — период обра щения Земли вокруг Солнца относительно точки весеннего равноденствия 27
- 28. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ Простые годы име ют 365 суток. Високосный год — 366 суток. Эти допол нительные сутки вво дят 29 февраля По григорианскому календарю год счи тается високосным, если он делится на 4 без остатка, кроме тех лет, которые оканчи ваются на два нуля и число сотен кото рых не делится на 4 Рис. 3.9. Високосные го ды по юлианскому ка лендарю. Кружочком обведены годы, кото рые по григорианскому календарю не являются високосными Долгое время в Европе пользовались юлианским календарем, который был введен еще Юлием Цеза рем в 46 г. до н. э. В этом календаре продолжитель ность тропического года была принята за 365 суток 6 ч 00 мин 00 с, а для того чтобы год имел целое чис ло суток, было принято, что каждые 3 года подряд год длится по 365 суток, а четвертый — 366 суток (високосный год). Но в среднем каждый календарный год был длиннее тропического на 11 мин 14 с (365 су ток 6 ч 00 мин 00 с - 365 суток 5 ч 48 мин 46 с). То есть когда тропический год уже реально заканчивал ся, год по юлианскому календарю продолжался еще 11 мин 14 с. Поэтому за четыре года погрешность накапливалась и календарь отставал уже на 44 мин 56 с, а за 400 лет — почти на трое суток. Григорианский календарь, действующий в наше время, исправил эту неточность. В нем изъяли три дня из каждых 400 лет, то есть три високосных года сделали простыми. На рис. 3.9 показано, какие годы были високос ными по юлианскому календарю, а кружочком обведены те, кото рые стали простыми по григорианскому. Легко заметить, что это те годы, которые заканчиваются двумя нулями и число сотен которых не делится на четыре нацело. Григорианский календарь тоже не идеален, но погрешность на одни сутки он дает примерно через 33 века. Для любознательных Новая реформа календаря была проведена в 1582 году по предложению Па пы Римского Григория XIII. Чтобы исправить накопленную к тому времени разницу, объявили, что 1582 г. продлится только 355 суток. Новый календарь был назван гри горианским (или новым стилем) в честь Папы Римского и постепенно был введен во всех странах Европы и Америки. Теперь разница между юлианским и григорианским 28
- 29. §3. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ И КАЛЕНДАРЬ календарями достигла уже 13 суток и сохранится еще в XXI в. В гражданской жизни Украины новый стиль был введен правительством Центральной Рады в 1918 г. Вы воды При помощи небесных светил можно определять время. Период враще ния Земли вокруг оси используют для отсчета часов, минут и секунд. Период об ращения Земли вокруг Солнца используют при создании календарей для отсче та длительных промежутков времени. Тесты 1. Тропики — это такая географическая широта, где: А. Растут пальмы. Б. Солнце никогда не заходит. В. Во время солнцестояния Солнце кульминирует в зените. Г. Во время равноденствия Солнце кульми нирует в зените. Д. Никогда не выпадает дождь. 2. Полярный круг — это такая географическая широта, где: А. Целый год не тает снег. Б. Живут белые медведи. В. Полгода длится ночь, а полгода — день. Г. Во время равноденствия Солнце кульминирует в зени те. Д. В день зимнего солнцестояния Солнце не восходит. 3. Под каким углом к плоскости орбиты наклонена ось вращения Земли? А. 0°. Б. 23,5°. В. 45°. Г. 66,5°. Д. 90°. 4. Чему равен угол между плоскостями экватора и эклиптики? А. 0°. Б. 23,5°. В. 45°. Г. 66,5°. Д. 90°. 5. Сколько длится самый длинный день на полярном круге? А. 12 ч. Б. 24 ч. В. 1 месяц. Г. 3 месяца. Д. Полгода. 6. Что является причиной смены времен года на Земле? 7. Почему летом гораздо теплее, чем зимой, хотя светит нам одно и то же Солнце? 8. Почему возникла необходимость реформы юлианского календаря? 9. В Украине по древней традиции встречают так называемый старый Новый год — 14 января. Откуда происходит эта традиция? 10. Где на Земле продолжительность дня в течение года не меняется? 11. С помощью тени от палочки определите высоту Солнца над горизонтом при верхней кульминации. Как меняется этот угол в течение месяца? 12. Где позже заходит Солнце: во Львове или Харькове? 13. С помощью карты звёздного неба определите экваториальные координаты Солн ца в день вашего рождения. В каком созвездии наблюдается Солнце в этот день? Совпадает ли это созвездие со знаком зодиака в гороскопах на этот день? Диспуты на предложенные темы : 14. Каким, по вашему мнению, был бы климат на Земле, если бы ось вращения была наклонена к плоскости эклиптики под углами: 90°, 45°, 0°? Задания для наблюдений 15. Проведите наблюдение захода или восхода Солнца в день равноденствия — 23 сентября или 21 марта. Солнце в эти дни восходит в точке востока и заходит в точке запада. Нарисуйте положение этих точек относительно вашего дома. Ключевые понятия и термины: Високосный год, сутки, эклиптика, зодиак, календарь, местное время, поясное время, тропический год. 29
- 30. §4. Законы движения планет Изучив этот параграф, мы узнаем: что планеты в Солнечной системе движутся согласно законам Кеплера; о законе всемирного тяготения, который управляет движением всех космических тел — от планет до галактик. Конфигурации планет Конфигурации планет определяют расположение планет отно сительно Земли и Солнца и обусловливают их видимость на небе. Все планеты светятся отраженным солнечным светом, поэтому луч ше всего видна та планета, которая находится ближе к Земле, при условии, если к нам повернуто ее дневное, освещен ное Солнцем полушарие. На рис. 4.1 изображено противостояние (ПС) Марса (М1 ), то есть такая конфигурация, когда Зем ля находится на одной прямой между Марсом и Солн цем. В противостоянии яркость планеты самая боль шая, потому что к Земле обращено все ее дневное полушарие. Орбиты двух планет, Меркурия и Венеры, расположены бли же к Солнцу, чем Земля, поэтому в противостоянии они не бывают. В положении, когда Венера или Меркурий находятся ближе всего Конфигурациями планет называют ха рактерные взаимные положения планет относительно Земли и Солнца Рис. 4.1. Конфигурации Венеры и Марса. Проти востояние Марса — планета находится бли же всего к Земле, ее видно всю ночь в про тивоположном от Солн ца направлении. Венеру лучше всего видно вече ром в восточную элон гацию слева от Солн ца В1 и утром во время западной элонгации справа от Солнца В2 30
- 31. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ к Земле, их не видно, потому что к нам повернуто ночное полушарие планеты (рис. 4.1). Такая конфи гурация называется нижним соединением с Солнцем В верхнем соединении планету тоже не видно, пото му что между ней и Землей находится яркое Солнце. Лучшие условия для наблюдения Венеры и Мерку рия бывают в конфигурациях, называемых элонга- циями. Восточная элонгация (ВЭ) — это положение, когда планета видна вечером В1 слева от Солнца. За падная элонгация (ЗЭ) Венеры наблюдается утром, когда планета видна справа от Солнца в восточной части небосклона B2. Конфигурации ярких планет Планета Венера Марс Юпитер Сатурн 2011 р. 8.01 (ЗЭ) — 29.10 (ПС) 4.04 (ПС) 2012 р. 22.03 (ВЭ) 3.03 (ПС) 3.12 (ПС) 15.04 (ПС) 2013 р. 1.11 (ВЭ) 18.04 (Сп) 19.06 (Сп) 28.04 (ПС) 2014 р. 22.03 (ЗЭ) 8.04 (ПС) 5.01 (ПС) 10.05 (ПС) 2015 р. 6.06 (ВЭ) 14.06 (Сп) 6.02 (ПС) 23.05 (ПС) Условные обозначения: ПС — противостояние, планета видна всю ночь; Сп — сообщение с Солнцем, планета не видна; (ВЭ) — восточная элонгация, планета видна вечером в западной части горизонта; ЗЭ — западная элонга ция, планета видна утром в восточной части небосклона. Внимание! Утром 6 июня 2012 г. состоится прохождение Ве неры по диску Солнца, когда планета в нижнем соединении пересе кает плоскость эклиптики. Следующее прохождение нужно ждать до декабря 2117 г. Сидерический и синодический периоды обращения планет Сидерический период обращения определяет движение тел отно сительно звезд. Это время, за которое планета, двигаясь по орбите, совершает полный оборот вокруг Солнца (рис. 4.2). Синодический период обращения определяет движение тел относительно Земли и Солнца. Это про межуток времени, за который наблюдаются одни и те же последовательные конфигурации планет (противо- Рис. 4.2. Путь, соответствующий сидерическому периоду обраще ния Марса вокруг Солнца, изображен пунктиром синего цвета, синодическому — пунктиром красного цвета. Противостояние — планета видна с Зем ли целую ночь в про тивоположном от Солнца направлении Элонгация — види мое с поверхности Земли угловое рас стояние между пла нетой и Солнцем 31
- 32. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ стояние, соединение, элонгация). На рис. 4.2 положения С—З1—М1 и С—32—М2 — два последовательных противостояния Марса. Меж ду синодическим «S и сидерическим Т периодами обращения плане ты существует следующее соотношение: (4.1) где =1 год — 365,25 суток — период обращения Земли вокруг Солнца. В формуле (4.1) знак «+» применяется для Венеры и Мер курия, которые обращаются вокруг Солнца быстрее, чем Земля. Для других планет применяется знак «-». Законы Кеплера Иоганн Кеплер (рис. 4.3) определил, что Марс движется вокруг Солнца по эллипсу, а потом было доказано, что и другие планеты имеют эллиптические орбиты. Первый закон Кеплера. Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, а Солнце находится в одном из фокусов этих эллип сов (рис. 4.4, 4.5). Главное следствие из первого закона Кеплера: расстояние между планетой и Солнцем не остается постоянным и изменяется в пределах: Точка А орбиты, где планета приближается на наименьшее расстояние к Солнцу, называется пери гелием (греч. peri — вблизи helios — Солнце), а самую отдаленную от центра Солнца точку В орбиты плане ты назвали афелием (от греч. аро — вдали). Сумма расстояний в перигелии и афелии равна большой оси АВ эллипса: . Большая полуось зем- Рис. 4.3. И. Кеплер (1571—1630) Рис. 4.4. Планеты обра щаются вокруг Солнца по эллипсам. — в перигелии; — в афелии 32
- 33. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ Земля в перигелии 3—4 января прибли жается к Солнцу на наименьшее расстоя ние 147 млн км Земля в афелии 3—4 июля удаляется от Солнца на самое большое расстояние 153 млн км Рис. 4.5. Как правильно нарисовать эллипс ной орбиты (ОА или ОВ) называется астрономической единицей. 1 а. е. = 149,6 106 км. Степень вытянутости эллипса характеризуется эксцентриситетом е — отношением расстояния между фокусами 2с к длине большой оси 2а, то есть , Орбита Земли имеет небольшой эксцентриси тет е=0,017 и почти не отличается от окружности, поэтому расстояние между Землей и Солнцем изме няется в пределах от =0,983 а. е. в перигелии до = 1,017 а. е. в афелии. Орбита Марса имеет больший эксцентриситет 0,093, поэтому расстояние между Землей и Марсом во время противостояния может быть разным — от 100 млн км до 56 млн км. Значительный эксцентри ситет (е = 0,8...0,99) имеют орбиты многих астероидов и комет, а некоторые из них пересекают орбиту Зем ли и других планет, поэтому во время столкновения этих тел иногда происходят космические катастрофы. Спутники планет тоже движутся по эллиптиче ским орбитам, причем в фокусе каждой орбиты на ходится центр соответствующей планеты. Второй закон Кеплера. Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади. Главное следствие второго закона Кеплера состоит в том, что во время движения планеты по орбите со временем меняется не только расстояние планеты до Солнца, но и ее линейная и угловая скорости. Самую большую скорость планета имеет в перигелии, когда расстояние до Солнца наименьшее, а самую маленькую — в афелии, когда расстояние наибольшее. Второй закон Кеплера фактически определяет известный фи зический закон сохранения энергии: сумма кинетической и потен циальной энергии в замкнутой системе является величиной посто янной. Кинетическая энергия определяется скоростью планеты, а потенциальная — расстоянием между планетой и Солнцем, поэтому при приближении к Солнцу ско рость планеты возрастает (рис. 4.6). Если первый закон Кеплера проверить в усло виях школы довольно трудно, ибо для этого нужно измерить расстояние от Земли до Солнца зимой и ле том, то второй закон Кеплера может проверить лю бой ученик. Для этого надо убедиться, что скорость Земли в течение года меняется. Для проверки можно Максимальную ско рость Земля имеет зимой: Минимальную ско рость Земля имеет летом: 33
- 34. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ Рис. 4.6. При приближе нии к Солнцу скорость планеты растет, а при удалении — уменьшает ся. Если отрезки време ни то площади В июле Земля движет ся медленнее, поэтому продолжительность лета в Северном полу шарии больше, чем в Южном. Этим объяс няется, что среднего довая температура Северного полушария Земли выше, чем Южного использовать обычный календарь и посчитать длитель ность полугодия от весеннего до осеннего равноден ствия (21.03—23.09) и, наоборот, от 23.09 до 21.03. Если бы Земля вращалась вокруг Солнца с постоянной скоростью, то количество дней в этих полугодиях было бы одинаковым. Но соглас но второму закону Кеплера, зимой скорость Земли больше, а летом — меньше, поэтому лето в Северном полушарии длится чуть больше, чем зима, а в Южном полушарии, наоборот, зима немного длиннее лета. Третий закон Кеплера. Квадраты сидерических периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их орбит. (4.2) Плутон где и — сидерический период обра щения любых планет, и — большие полуоси орбит этих планет. Если определить большую полуось ор биты какой-либо планеты или астероида, то, согласно третьему закону Кеплера, мож но вычислить период обращения этого тела, не дожидаясь, пока оно сделает полный обо рот вокруг Солнца. Например, в 1930 г. была открыта новая планета Солнечной си стемы — Плутон, которая имеет большую Рис. 4.7. Из наблюдений была определена большая полуось орбиты Плутона Учитывая параме тры орбиты Земли согласно 4.2, имеем =248 л. 34
- 35. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ ййл^йШКй**;??? полуось орбиты 40 а. е., и сразу же был определен период обращения этой планеты вокруг Солнца — 248 лет. Правда, в 2006 г., согласно постановлению съезда Международного Астрономического Союза, Плутон перевели в статус планет-карликов, ибо его орбита пересека ет орбиту Нептуна. Третий закон Кеплера используется также и в космонавтике, если нужно определить период обращения вокруг Земли спутников или космических кораблей. Закон всемирного тяготения Великий английский физик и математик Исаак Ньютон доказал, что физической основой законов Кеплера является фундаментальный закон всемирного тяготения, который не только обусловливает движе ние планет в Солнечной системе, но и определяет взаимодействие звезд в Галактике. В 1687 г. Ньютон сформулировал этот закон так: любые два тела с массами Мит притягиваются с силой, величина кото рой прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропор циональна квадрату расстояния между ними (рис. 4.8): где G — гравитационная постоянная; R — расстояние между этими телами. (4.3) Рис. 4.8. Закон всемир ного тяготения Следует обратить внимание, что формула (4.3) справедлива только для двух материальных точек. Если тело имеет сферическую форму и плотность внутри распределена симметрично относительно цен тра, то массу такого тела можно считать материальной точкой, которая находится в центре сферы. Напри мер, если космический корабль обращается вокруг Земли, то для определения силы, с которой корабль притягивается к Земле, принимают расстояние до центра Земли (рис. 4.9). При помощи формулы (4.3) можно определить вес космонавтов на любой планете, если известен ее радиус R и масса М (рис. 4.10). Закон всемирного Рис. 4.9. Сила притяже ния, действующая на космический корабль, зависит от расстояния между кораблем и центром Земли 35
- 36. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ тяготения утверждает, что не только планета притяги вается к Солнцу, но и Солнце притягивается с такой же силой к планете, поэтому движение двух тел в гра витационном поле происходит вокруг общего центра масс данной системы. То есть планета не падает на Солнце, потому что она движется с определенной ско ростью по орбите, а Солнце не падает на планету под действием той же силы тяжести, ибо оно тоже обра щается вокруг общего центра масс. В реальных условиях ни одна планета не движет ся по эллиптической орбите, ведь законы Кеплера спра ведливы только для двух тел, обращающихся вокруг об щего центра масс. Известно, что в Солнечной системе обращаются вокруг Солнца большие планеты и множе ство малых тел, поэтому каждую планету притягивает не только Солнце — одновременно притягиваются меж ду собой все эти тела. В результате такого взаимодей ствия разных по величине и направлению сил движе ние каждой планеты становится достаточно сложным. Такое движение называют возмущением. Орбита, по которой движется при возмущенном движении планета, не является эллипсом. Благодаря исследованиям возмущения орбиты планеты Уран астрономы теоретически предсказали существование неизвестной пла неты, которую в 1846 г. И. Галле обнаружил в рассчитанном месте. Планету назвали Нептуном. Рис. 4.10. Вес космонав тов зависит от массы планеты и ее радиуса. На астероидах космонавты должны привязываться, чтобы не улететь в кос мическое пространство Для любознательных Особенность закона всемирного тяготения заключается в том, что мы не зна ем, каким образом передается на огромное расстояние притяжение между телами. Со времени открытия этого закона ученые придумали десятки гипотез о сути гра витационного взаимодействия, но наши знания сегодня не намного больше, чем во времена Ньютона. Правда, физики открыли еще три удивительных взаимодействия между материальными телами, которые передаются на расстоянии: электромагнит ное взаимодействие, сильное и слабое взаимодействие между элементарными ча стицами в атомном ядре. Среди этих видов взаимодействия гравитационные силы являются самыми слабыми. Например, по сравнению с электромагнитными силами гравитационное притяжение в 10 3 9 раз слабее, но только гравитация управляет дви жением планет, а также влияет на эволюцию Вселенной. Это можно объяснить тем, что электрические заряды имеют разный знак («+» и «-»), поэтому тела большой массы являются в основном нейтральными, и на большом расстоянии электромаг нитное взаимодействие между ними довольно слабое. Определение расстояний до планет Для измерения расстояний до планет можно использовать третий закон Кеплера, но для этого надо определить расстояние от Земли до 36
- 37. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ любой планеты. Предположим, что нужно измерить расстояние L от центра Земли О до светила S. За осно ву принимают радиус Земли , и измеряют угол , так называемый горизонтальный параллакс светила, ибо одна сторона прямоугольного треуголь ника — катет AS, является горизонтом для точки А (рис. 4.11). Горизонтальный параллакс (от греч.— смещение) светила — это угол, под которым было бы видно перпендикулярный к лучу зрения радиус Зем ли, если бы сам наблюдатель находился на этом све тиле. Из прямоугольного треугольника OAS опреде ляем гипотенузу OS: (4.4) Правда, при определении параллакса возникает проблема: как астрономы могут измерить угол с по верхности Земли, не летая в космос? Чтобы опре делить горизонтальный параллакс светила S, нужно двум наблюдателям одновременно из точек А и В из мерить небесные координаты (прямое восхождение и склонение) этого светила (см. § 2). Эти координаты, измеряемые одновременно из точек А и Б, будут не много отличаться. На основе этой разницы координат определяют величину горизонтального параллакса. Чем дальше от Земли наблюдается светило, тем меньше значение параллакса. Например, самый боль шой горизонтальный параллакс имеет Луна, когда находится ближе всего к Земле: p = 1°01'. Горизон тальный параллакс планет гораздо меньше, и он не остается постоянным, поскольку расстояния между Землей и планетами меняются. Среди планет самый большой параллакс имеет Венера — 31", а самый ма ленький 0,21" — Нептун. Для сравнения: букву «О» в этой книге видно под углом 1" с расстояния 100 м — такие крошечные углы астрономы вынуждены изме рять для определения горизонтальных параллаксов тел в Солнечной системе. О том, как измерить рас стояние до звезд, смотри в § 13. Рис. 4.11. Горизонталь ный параллакс р свети ла определяет угол, под которым с этого свети ла был бы виден пер пендикулярный к лучу зрения радиус Земли Выводы Все космические тела от планет до галактик движутся по закону всемир ного тяготения, который был открыт Ньютоном. Законы Кеплера определяют фор му орбиты, скорость движения планет Солнечной системы и их периоды обра щения вокруг Солнца. 37
- 38. §4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ Тесты 1. Как называется расположение планет в космическом пространстве относи тельно Земли и Солнца? А. Конфигурация. Б. Противостояние. В. Космогония. Г. Вознесение. Д. Пере мещение. 2. В противостоянии могут наблюдаться такие планеты: А. Сатурн. Б. Венера. В. Меркурий. Г. Юпитер. 3. В соединении с Солнцем могут находиться такие планеты: А. Сатурн. Б. Венера. В. Меркурий. Г. Юпитер. 4. В каком созвездии можно увидеть Марс во время противостояния, которое происходит 23 сентября? А. Лев. Б. Козерог. В. Орион. Г. Рыбы. Д. Водолей. 5. Как называется точка орбиты, в которой планета находится ближе всего к Солнцу? А. Перигелий. Б. Перигей. В. Апогей. Г. Афелий. Д. Апекс. 6. Когда Марс виден на небе всю ночь? 7. Можно ли увидеть Венеру в то время, когда она находится ближе всего к Земле? 8. В какое время года орбитальная скорость Земли самая большая? 9. Почему Меркурий трудно увидеть на небе, хотя он бывает ярче Сириуса? 10. Можно ли с поверхности Марса увидеть Землю во время противостояния Марса? 11. Астероид обращается вокруг Солнца с периодом 3 года. Может ли этот асте роид столкнуться с Землей, если в афелии его расстояние равно 3 а. е. от Солнца? 12. Может ли существовать в Солнечной системе комета, если она в афе лии проходит возле Нептуна и обращается вокруг Солнца с периодом 100 лет? 13. Выведите формулу для определения веса космонавтов на любой планете, если известны ее радиус и масса. Диспуты на предложенные темы 14. Как изменится климат Земли, если эксцентриситет земной орбиты будет ра вен 0,5, а большая полуось останется такой, как сейчас? Считать, что угол наклона оси обращения к плоскости эклиптики останется 66,5°. Задания для наблюдений 15. Определите при помощи астрономического календаря, какая планета Сол нечной системы находится ближе всего к Земле в день вашего рождения в текущем году. В каком созвездии ее можно увидеть сегодня ночью? Ключевые понятия и термины: Афелий, элонгация, конфигурации планет, параллакс, перигелий, противостояние, сидерический и синодический период. 38
- 39. Изучив этот параграф, мы: вспомним ученых, внесших значительный вклад в освоение кос моса; узнаем, как можно изменять орбиту космических кораблей; убедимся, что космонавтика широко используется на Земле. Зарождение космонавтики Космонавтика изучает движение искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических кораблей и меж планетных станций в космическом пространстве. Су ществует различие между природными телами и ис кусственными космическими аппаратами: последние при помощи реактивных двигателей могут изменять параметры своей орбиты. Значительный вклад в создание научных основ космонавтики, пилотируемых космических кораблей и автоматических межпланетных станций (АМС) внес ли украинские ученые. К. Э. Циолковский (рис. 5.1) создал теорию ре активного движения. В 1902 г. он впервые доказал, что только при помощи реактивного двигателя мож но достичь первой космической скорости. Украинский ученый Ю. В. Кондратюк (А. Г. Шар- гей; рис. 5.2) в 1918 г. рассчитал траекторию полета на Луну, которая впоследствии была применена в США при подготовке космических экспедиций «Аполлон». Выдающийся конструктор первых в мире косми ческих кораблей и межпланетных станций С. П. Ко ролев (1906—1966) родился и учился в Украине. Под его руководством 4 октября 1957 г. в Советском Сою зе был запущен первый в мире ИСЗ, созданы АМС, которые первыми в истории космонавтики достигли Луны, Венеры и Марса. Наибольшим достижением космонавтики в то время был первый пилотируе мый полет космического корабля «Восток», на кото ром 12 апреля 1961 г. летчик-космонавт Ю. А. Гага рин совершил кругосветное космическое путешествие. Рис. 5.1. К. Э. Циолков ский (1857—1935) Рис. 5.2. Ю. В. Кондра тюк (1898—1942) 39
- 40. §5. ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ Круговая скорость Рассмотрим орбиту спутника, который обращается по круго вой орбите на высоте Н над поверхностью Земли (рис. 5.3). Для то го чтобы орбита была постоянной и не изменяла свои параметры, должны выполняться два условия. 1. Вектор скорости должен быть направлен по касательной к орбите. 2. Величина линейной скорости спутника должна равняться кру говой скорости, которая определяется уравнением: (5.1) Рис. 5.3. Круговая ско рость определяет дви жение тела вокруг Земли на постоянной высоте Н над ее по верхностью Первая космиче ская скорость V, — 7,9 км/с — скорость, которую надо при дать телу, чтобы оно обращалось вокруг Земли по круговой орбите, радиус кото рой равен радиусу Земли где — =6 10 24 кг — масса Земли; G=6,67 10 -11 (H • м 2 )/кг 2 — по стоянная всемирного тяготения; Н — высота спутника над поверх ностью Земли, = 6,37 • 10 3 м — радиус Земли. Из формулы (5.1) следует, что самое большое значение круговая скорость имеет при высоте Н = 0, то есть в том случае, когда спутник движется у са мой поверхности Земли. Такая скорость в космонав тике называется первой космической: (5.2.) В реальных условиях ни один спутник не мо жет обращаться вокруг Земли по круговой орбите с первой космической скоростью, ибо плотная атмос фера очень тормозит движение тел, которые переме щаются с большой скоростью. Если бы даже ско рость ракеты в атмосфере достигла величины первой космической, то большое сопротивление воздуха ра зогрело бы ее поверхность до температуры плавле ния. Поэтому ракеты во время старта с поверхности Земли сначала поднимаются вертикально вверх до высоты нескольких сотен километров, где сопротив ление воздуха незначительно, и только тогда спут нику сообщается соответствующая скорость в гори зонтальном направлении. Для любознательных Невесомость во время полета в космическом корабле наступа ет в момент, когда прекращают работу ракетные двигатели. Для того чтобы ощутить состояние невесомости, не обязательно лететь в космос. Любой прыжок в высоту, или длину, когда исчезает опора под ногами, дает нам кратковременное ощущение состояния невесомости. 40
- 41. §5. ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ Движение космических аппаратов по эллиптическим орбитам Если величина скорости спутника будет отличаться от круговой или вектор скорости не будет параллелен плоскости горизонта, тогда космический аппарат (КА) будет обращаться вокруг Земли по эллип тической траектории. Согласно первому закону Кепле- ра, в одном из фокусов эллипса должен находиться центр Земли, поэтому плоскость орбиты спутника долж на пересекать плоскость экватора или совпадать с ней (рис. 5.4). В этом случае высота спутника над поверх ностью Земли изменяется в пределах от перигея до апо гея. Эти названия аналогичны соответствующим точкам на орбитах планет — перигелия и афелия (см. § 4). Если спутник движется по эллиптической тра ектории, то, согласно второму закону Кеплера, изме няется его скорость: наибольшую скорость спутник имеет в перигее, а наименьшую — в апогее. Период обращения космического аппарата Если космический аппарат движется по эллип су вокруг Земли с переменной скоростью, его период обращения можно определить с помощью третьего за кона Кеплера (см. § 4): (5.3) где — период обращения спутника вокруг Земли; = 27,3 суток — сидерический период обращения Луны вокруг Земли; — большая полуось орбиты спутника; =380000 км большая полуось орбиты Луны. Из уравнения (5.3) определим: (5.4) Перигей Точка орбиты КА, ко торая находится бли же всего к Земле Апогей Точка орбиты КА, ко торая находится даль ше всего от Земли Рис. 5.4. Движение спут ника по эллиптической траектории похоже на обращение планет в зо не тяготения Солнца. Изменение скорости определяется законом сохранения энергии: сумма кинетической и потенциальной энер гии тела при движении по орбите остается по стоянной Рис. 5.5. Геостационар ный спутник обращает ся на высоте 35600 км только по круговой ор бите в плоскости эква тора с периодом 24 ч (А/ — Северный полюс) 41
- 42. §5. ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ В космонавтике особую роль играют ИСЗ, которые «висят» над одной точкой Земли — это геостационарные спутники, использую щиеся для космической связи (рис. 5.3). Для любознательных Для обеспечения глобальной связи достаточно вывести на геостационар ную орбиту три спутника, которые должны «висеть» в вершинах правильного тре угольника. Сейчас на таких орбитах находятся уже несколько десятков коммерче ских спутников разных стран, обеспечивая ретрансляцию телевизионных программ, мобильную телефонную связь, компьютерную сеть Интернет. Спутники связи вы водят на геостационарные орбиты также украинские ракеты «Зенит» и «Днепр». Вторая и третья космические скорости Эти скорости определяют условия соответственно для межпла нетных и межзвездных перелетов. Если сравнить вторую космиче скую скорость V2 с первой V1 (5.2), то получим соотношение: (5.5) Космический корабль, стартующий с поверхности Земли со вто рой космической скоростью и движущийся по параболической траекто рии, мог бы полететь к звездам, потому что парабола является незамк нутой кривой и уходит в бесконечность. Но в реальных условиях такой корабль не покинет Солнечную систему, ибо любое тело, которое вышло за пределы земного тяготения, попадает в гравитационное поле Солн ца. То есть космический корабль станет спутником Солнца и будет об ращаться в Солнечной системе подобно планетам или астероидам. Для полета за пределы Солнечной системы кос мическому кораблю нужно сообщить третью космиче скую скорость =16,7 км/с. К сожалению, мощность современных реактивных двигателей еще недостаточ на для полета к звездам при старте непосредственно с поверхности Земли. Но если КА пролетает через гра витационное поле другой планеты, он может получить дополнительную энергию, которая позволяет в наше время совершать межзвездные полеты. В США уже за пустили несколько таких АМС («Пионер-10,11» и «Во- яджер-1,2»), которые в гравитационном поле пла нет-гигантов увеличили свою скорость настолько, что в будущем вылетят за пределы Солнечной системы. Вторая космическая скорость - то есть наименьшая скорость, при которой тело покидает сферу тяготения Земли и мо жет стать спутником Солнца Третья космическая скорость — минималь ная скорость, когда ра кета во время старта с поверхности Земли может покинуть сферу притяжения Солнца и улететь в галактиче ское пространство Для любознательных Полет на Луну происходит в гравитационном поле Земли, по этому КА летит по эллипсу, в фокусе которого находится центр Зем ли. Самая выгодная траектория полета с минимальным расходом топ лива — это эллипс, являющийся касательным к орбите Луны. 42
- 43. §5. ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ Во время межпланетных полетов, например на Марс, КА ле тит по эллипсу, в фокусе которого находится Солнце. Самая выгод ная траектория с наименьшей затратой энергии проходит по эллип су, который является касательным к орбите Земли и Марса. Точки старта и прилета лежат на одной прямой по разные стороны от Солн ца. Такой полет в одну сторону длится более 8 месяцев. Космонав там, которые в недалеком будущем посетят Марс, надо учесть, что сразу же вернуться на Землю они не смогут: Земля по орбите дви жется быстрее, чем Марс, и через 8 месяцев его опередит. До воз вращения космонавтам нужно находиться на Марсе еще 8 месяцев, пока Земля займет выгодное положение. То есть общая продолжи тельность экспедиции на Марс будет не менее двух лет. Практическое применение космонавтики В наше время космонавтика служит не только для изучения Вселенной, но и приносит большую практическую пользу людям на Земле. Искусственные космические аппараты изучают погоду, исследуют космос, помогают решать экологические проблемы, ве дут поиски полезных ископаемых, обеспечивают радионавигацию (рис. 5.6, 5.7). Но наибольшие заслуги космонавтики в развитии космических средств связи, космического мобильного телефона, телевидения и Интернета. Украина принимает активное участие в международных кос мических программах. Ученые проектируют строительство космиче ских солнечных электростанций, которые будут передавать энергию на Землю. В недалеком будущем кто-нибудь из нынешних учеников Рис. 5.6. Международная космическая станция 43
- 44. §5. ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ полетит на Марс, будет осваивать Луну и астероиды. Нас ждут за гадочные чужие миры и встреча с другими формами жизни, а воз можно, и с внеземными цивилизациями. Рис. 5.7. Космическая станция в виде гигант ского кольца, идею ко торой предложил Ци олковский. Вращение станции вокруг оси создаст искусственное притяжение Рис. 5.8. Старт укра инской ракеты «Зенит» с космодрома в Тихом океане 44
- 45. §5. ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ Выводы Космонавтика как наука о полетах в межпланетное пространство бурно развивается и занимает особое место в методах изучения небесных тел и кос мической среды. Кроме того в наше время космонавтика успешно применяется в средствах связи (телефон, радио, телевидение, Интернет), в навигации, гео логии, метеорологии и многих других областях деятельности человека. Т е с т ы 1. С первой космической скоростью может лететь космический корабль, обраща ющийся вокруг Земли по круговой орбите на такой высоте над поверхностью: А. О км. Б. 100 км. В. 200 км. Г. 1000 км. Д. 10000 км. 2. Ракета стартует с поверхности Земли со второй космической скоростью. Ку да она долетит? А. До Луны. Б. До Солнца. В. Станет спутником Солнца. Г. Станет спутником Марса. Д. Полетит к звездам. 3. Космический корабль обращается вокруг Земли по эллиптической орбите. Как называется точка орбиты, в которой космонавты находятся ближе всего к Земле? А. Перигей. Б. Перигелий. В. Апогей. Г. Афелий. Д. Парсек. 4. Ракета с космическим кораблем стартует с космодрома. Когда космонавты почувствуют невесомость? А. На высоте 100 м. Б. На высоте 100 км. В. Когда выключится реактивный двигатель. Г. Когда ракета попадет в безвоздушное пространство. 5. Какие из этих физических законов не выполняются в невесомости? А. Закон Гука. Б. Закон Кулона. В. Закон всемирного тяготения. Г. Закон Бойля-Мариотта. Д. Закон Архимеда. 6. Почему ни один спутник не может обращаться вокруг Земли по круговой орбите с первой космической скоростью? 7. Чем отличается перигей от перигелия? 8. Почему при запуске космического корабля возникают перегрузки? 9. Выполняется ли в невесомости закон Архимеда? 10. Космический корабль обращается вокруг Земли по круговой орбите на вы соте 200 км. Определите линейную скорость корабля. 11. Может ли космический корабль сделать за сутки 24 оборота вокруг Земли? Диспуты на предложенные темы 12. Что вы можете предложить для будущих космических программ, в которых могли бы принимать участие украинские ученые? Задания для наблюдений 13. Вечером найдите на небе спутник или международную космическую стан цию, которые освещаются Солнцем и с поверхности Земли выглядят, как яр кие точки. Нарисуйте их путь среди созвездий в течение 10 минут. Чем от личается полет спутника от движения планет? Ключевые понятия и термины: Апогей, геостационарный спутник, вторая космическая скорость, круговая ско рость, межпланетная космическая станция, перигей, первая космическая скорость, искусственный спутник Земли.
- 46. Изучив этот параграф, мы: узнаем, как астрономы исследуют природу космических тел; познакомимся с устройством современных телескопов, при помощи ко торых можно путешествовать не только в пространстве, но и во времени; увидим, как можно зарегистрировать невидимые для глаза лучи. Что изучает астрофизика? Между физикой и астрофизикой есть много общего — эти на уки изучают законы мира, в котором мы живем. Но между ними есть и одна существенная разница — физики могут проверить свои теоретические расчеты при помощи соответствующих экспериментов, в то время как астрономы в большинстве случаев такой возможно сти не имеют, так как изучают природу далеких космических объ ектов по их излучениям. В этом параграфе мы рассмотрим основные методы, при помощи которых астрономы собирают информацию о событиях в дальнем космосе. Оказы вается, что основным источником такой информа ции являются электромагнитные волны и элемен тарные частицы, которые излучают космические тела, а также гравитационные и электромагнитные поля, при помощи которых эти тела между собой взаимо действуют. Наблюдение за объектами Вселенной осуществляется в специаль ных астрономических обсерваториях. При этом астрономы имеют опре деленное преимущество перед физиками — они могут наблюдать за про цессами, которые происходили миллионы или миллиарды лет назад. Для любознательных Астрофизика изучает строение космических тел, физические усло вия на поверхности и внутри тел, химиче ский состав, источни ки энергии и т. д. Астрофизические эксперименты в космосе все же Происходят — их осуществ ляет сама природа, а астрономы наблюдают за теми процессами, которые происхо дят в далеких мирах, и анализируют полученные результаты. Мы наблюдаем опре деленные явления во времени и видим такое далекое прошлое Вселенной, когда еще не только не существовала наша цивилизация, но даже не было Солнечной си стемы. То есть астрофизические методы изучения дальнего космоса фактически не отличаются от экспериментов, которые проводят физики на поверхности Земли. К то му же при помощи АМС астрономы проводят настоящие физические эксперименты как на поверхности других космических тел, так и в межпланетном пространстве. 46
- 47. §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Черное тело Как известно из курса физики, атомы могут излучать или погло щать энергию электромагнитных волн различной частоты — от этого зависит яркость и цвет того или иного тела. Для расчетов интенсивно сти излучения вводится понятие черного тела, которое может идеаль но поглощать и излучать электромагнитные колебания в диапазоне всех длин волн (непрерывный спектр). Звезды излучают электромагнитные волны раз ной длины , в зависимости от температуры поверх ности больше энергии приходится на определенную часть спектра (рис. 6.1). Этим объясняются раз нообразные цвета звезд от красного до голубого (см. §13). Используя законы излучения черного тела, которые открыли физики на Земле, астрономы из меряют температуру далеких космических светил (рис. 6.2). При температуре T = 300 К черное тело излучает энергию преимущественно в инфракрасной части спектра, которая не воспринимается невооруженным гла зом. При низких температурах такое тело в состоянии термодина мического равновесия имеет действительно черный цвет. Черное тело погло щает всю энергию, которая падает на его поверхность, и всю энергию переизлуча ет в окружающее про странство, но в дру гой части спектра Рис. 6.1. Спектр излучения звезды с температурой T = 5800 К. Впадины на графике соот ветствуют темным линиям поглощения, которые образуют отдельные химические элементы Для любознательных В природе абсолютно черных тел не существует, даже черная сажа погло щает не более 99% электромагнитных волн. С другой стороны, если бы абсолют но черное тело только поглощало электромагнитные волны, то со временем температура такого тела стала бы бесконечно большой. Поэтому черное тело излучает энергию, причем поглощение и излучение могут происходить в разных частотах. Однако при некоторой температуре устанавливается равновесие между излучаемой и поглощенной энергией. В зависимости от равновесной температу ры цвет абсолютно черного тела не обязательно будет черным — например, са жа в печи при высокой температуре имеет красный или даже белый цвет. 47
- 48. §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ Рис. 6.2. Распределение энергии в спектре излучения звезд. Цвет звезд определяет тем пературу поверхности T: у голубых звезд температура 12000 К, у красных — 3000 К. При увеличении температуры на поверхности звезды уменьшается длина волны , соответствующая максимуму энергии излучения Астрономические наблюдения невооруженным глазом Глаз человека является уникальным органом чувств, при по мощи которого мы получаем более 90% информации об окружаю щем мире. Оптические характеристики глаза определяются разреше нием и чувствительностью. Разрешающая способность глаза, или острота зрения,— это способность различать объекты определенных угловых размеров. Установлено, что разрешающая способность глаза человека не пре вышает (одна минута дуги; рис. 6.3). Это означает, что мы можем видеть отдельно две звезды (или две буквы в тексте книги), если угол между ними , а если , то эти звезды сливаются в од но светило, поэтому различить их невозможно. Мы различаем диски Луны и Солнца, потому что угол, под ко торым виден диаметр этих светил (угловой диаметр), около , в то время как угловые диаметры планет и звезд меньше , поэтому эти 48
- 49. §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ светила невооруженным глазом видны, как яркие точки. С планеты Нептун диск Солн ца будет выглядеть для космонавтов яркой звездой. Чувствительность глаза определяет ся порогом восприятия отдельных квантов света. Самую большую чувствительность глаз имеет в желто-зеленой части спектра, и мы можем реагировать на 7—10 квантов, которые попадают на сетчатку за 0,2— 0,3 с. В астрономии чувствительность гла за можно определить при помощи види мых звездных величин, характеризующих яркость небесных светил (см. § 13). Для любознательных Чувствительность глаза зависит и от ди аметра зрачка — в темноте зрачки расширяют ся, а днем сужаются. Перед астрономическими наблюдениями надо 5 мин посидеть в темноте, тогда чувствительность глаза увеличится. Телескопы К сожалению, большинство космиче ских объектов мы не можем наблюдать не вооруженным глазом, потому что его воз можности ограничены. Телескопы (греч. tele — далеко, skopos — видеть) позволяют нам увидеть далекие небесные светила или зарегистрировать их с по мощью других приемников электромагнитного излучения — фотоаппа рата, видеокамеры. По конструкции телескопы можно разделить на три группы: рефракторы, или линзовые телескопы (рис. 6.4) (лат. refractus — преломление), рефлекторы, или зеркальные телескопы (рис. 6.5) (лат. reflectio — отбиваю), и зеркально-линзовые телескопы. Предположим, что на бесконечности находится небесное свети ло, которое невооруженным глазом видно под углом . Собирающая линза, которую называют объективом, строит изображение светила в фокальной плоскости на расстоянии от объектива (рис. 6.4). В фокальной плоско сти устанавливают фотопластинку, видеока меру или другой приемник изображения. Для визуальных наблюдений используют короткофокусную линзу — лупу, которую называют окуляром. Рефрактор — телескоп, в котором для получения изображения исполь зуют линзы Рефлектор — телескоп, в котором для получения изображения исполь зуют зеркало 49 Рис. 6.3. Мы различаем диск Луны, потому что его угловой диаметр 30', в то время как кратеры невооружен ным глазом не видны, потому что их угловой диаметр меньше . Острота зрения определяется углом
- 50. §б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Увеличение телескопа определяет ся так: Рис. 6.4. Схема линзового телескопа (рефрактора) Рис. 6.5. Схема зеркального телескопа (рефлектора) (6.1) где — угол зрения на выходе окуляра; — угол зрения, под которым светило видно невооруженным глазом; —фо кусные расстояния соответственно объек тива и окуляра. Разрешающая способность телеско па зависит от диаметра объектива, поэто му при одинаковом увеличении более чет кое изображение дает телескоп с большим диаметром объектива. Кроме того телескоп увеличивает ви димую яркость светил, которая будет во столько раз больше той, что воспринима ется невооруженным глазом, во сколько площадь объектива больше площади зрач ка глаза. Запомните! В телескоп нельзя смотреть на Солнце, поскольку его яркость будет такой большой, что вы можете по терять зрение. Для любознательных = = = = = = = = Для определения различных физических характеристик космических тел (движения, тем пературы, химического состава и т. д.) необхо димо проводить спектральные наблюдения, то есть надо измерять, как распределяется излу чение энергии в различных участках спектра. Для этого создан ряд дополнительных устройств и приборов (спектрографы, телевизионные ка меры и пр.), которые совокупно с телескопом дают возможность отдельно выделять и иссле довать излучение участков спектра. Школьные телескопы имеют объекти вы с фокусным расстоянием 80—100 см, и набор окуляров с фокусными расстояни ями 1—6 см. То есть увеличение школьных телескопов по формуле (6.1) может быть разным (от 15 до 100 раз) в зависимости от фокусного расстояния окуляра, применяе мого во время наблюдений. В современных астрономических обсерваториях установле- 50
- 51. § б. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ны телескопы, имеющие объективы с фокусным расстоянием более 10 м, поэтому увеличение этих оптических приборов может превышать 1000. Но во время наблюдений такие большие увеличения не приме няют, так как неоднородности земной атмосферы (ветры, загрязнен ность пылью) значительно ухудшают качество изображения. Электронные приборы Электронные приборы, использующиеся для регистрации излучения космических светил, суще ственно увеличивают разрешение и чувствитель ность телескопов. К таким приборам относятся фотоумножитель и электронно-оптические преоб разователи, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта. В конце XX в. для получе ния изображения начали применять приборы зарядовой связи (ПЗС), в которых используется явление внутреннего фотоэффекта. Они состо ят из очень маленьких кремниевых элементов (пикселей), располо женных на небольшой площади. Матрицы ПЗС используют не только в астрономии, но и в домашних телекамерах и фотоаппаратах — так называемые цифровые системы для получения изображения (рис. 6.6). К тому же, ПЗС более эффективны, чем фотопленки, потому что реги стрируют 75% фотонов, в то время как пленка — лишь 5%. Таким образом, ПЗС значительно увеличивают чувствительность приемников электромагнитного излучения и позволяют регистрировать космические объекты в десятки раз более слабые, чем при фотографировании. Радиотелескопы Для регистрации электромагнитного излучения в радиодиапазо не (длина волны от 1 мм и более — рис. 6.7) созданы радиотелеско пы, которые принимают радиоволны с помощью специальных антенн и передают их в приемник. В радиоприемнике космические сигналы обрабатываются и регистрируются специальными приборами. Существуют два типа радиотелескопов — рефлекторные и радио решетки. Принцип действия рефлекторного радиотелескопа такой же, как телескопа-рефлектора (рис. 6.5), только зеркало для сбора электро магнитных волн изготавливается из металла. Часто это зеркало имеет форму параболоида обращения. Чем больше диаметр такой параболи ческой «тарелки», тем выше разрешение и чувствительность радиоте лескопа. Самый большой в Украине радиотелескоп РТ-70 имеет диа метр 70 м (рис. 6.8). Радио-решетки состоят из большого количества отдельных антенн, расположенных на поверхности Земли в определенном по рядке. Если смотреть сверху, то большое количество таких антенн 51 Рис. 6.6. Матрица ПЗС
- 52. §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Рис. 6.8. Радиотелескоп РТ-70 находится в Кры му возле Евпатории Рис. 6.9. Крупнейший в мире радиотелескоп УТР-2 (украинский Т-образный радиотеле скоп; размеры 1800 м х 900 м) напоминает букву «Т». Крупнейший в мире радио телескоп такого типа УТР-2 находится в Харьков ской области (рис. 6.9). Для любознательных Принцип интерференции электромагнитных волн позволяет объединить радиотелескопы, расположенные на расстоянии десят ков тысяч километров, что увеличивает их разрешение до 0,0001" — это в сотни раз превосходит возможности оптических телескопов. 52
- 53. §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ Изучение Вселенной с помощью космических аппаратов С началом космической эры наступает новый этап изучения Вселенной с помощью ИСЗ и АМС. Космические методы имеют су щественное преимущество перед наземными наблюде ниями, так как значительная часть электромагнитно го излучения звезд и планет задерживается в земной атмосфере. С одной стороны, это поглощение спасает живые организмы от смертельного излучения в уль трафиолетовой и рентгеновской областях спектра, но с другой — ограничивает поток информации от све тил. В 1990 г. в США был создан уникальный кос мический телескоп Хаббла с диаметром зеркала 2,4 м (рис. 6.10). В наше время в космосе функционирует много обсерваторий, которые регистрируют и анали зируют излучения всех диапазонов — от радиоволн до гамма-лучей (рис. 6.7). Большой вклад в изучение Вселенной сделали украинские ученые. При их участии были созданы пер вые КА, которые начали исследовать не только около земное пространство, но и другие планеты. Автомати ческие межпланетные станции серии «Луна», «Марс», «Венера» передали на Землю изображения других планет с таким раз решением, которое в тысячи раз превосходит возможности наземных телескопов. Впервые человечество увидело панорамы чужих миров. На этих АМС была установлена аппаратура для проведения непосредствен ных физических, химических и биологических экспериментов. Рис. 6.10. Космический телескоп Хаббла нахо дится за пределами ат мосферы, поэтому его разрешение в 10 раз, а чувствительность в 50 раз превосходят возможности наземных телескопов Рис. 6.11. Астроно мическая обсерва тория
- 54. §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Для любознательных Во времена Киевской Руси астрономические наблюдения проводили мона хи. В летописях они рассказывали о необычных небесных явлениях — затмениях Солнца и Луны, появлении комет или новых звезд. С изобретением телескопа для наблюдений за небесными светилами начали строить специальные астрономиче ские обсерватории (рис. 6.11). Первыми астрономическими обсерваториями Евро пы считают Парижскую во Франции (1667 г.), и Гринвичскую в Англии (1675 г.). Сейчас астрономические обсерватории работают на всех материках, и их общее количество превосходит 400. В Украине работают семь астрономических обсерва торий — в Киеве (две), Крыму, Львове, Николаеве, Одессе, Полтаве — и два астро номических института в Харькове. Рис. 6.12. Первый украинский спутник «Січ-1» Выводы Астрономия с оптической науки превратилась во всеволновую, потому что основным источником информации о Вселенной являются электромагнитные волны и элементарные частицы, которые излучают космические тела, а также гравитационные и электромагнитные поля, при помощи которых эти тела меж ду собой взаимодействуют. Современные телескопы позволяют получать инфор мацию о далеких мирах, и мы можем наблюдать события, которые происходили миллиарды лет назад. То есть с помощью современных астрономических прибо ров мы можем путешествовать не только в пространстве, но и во времени. 54
- 55. §6. МЕТОДЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Тесты 1. Телескоп — это такой оптический прибор, который: А. Приближает к нам космические тела. Б. Увеличивает космические свети ла. В. Увеличивает угловой диаметр светила. Г. Приближает нас к планете. Д. Принимает радиоволны. 2. Почему крупные астрономические обсерватории строят в горах? А. Чтобы приблизиться к планетам. Б. В горах большая продолжительность ночи. В. В горах меньше облачность. Г. В горах более прозрачный воздух. Д. Чтобы увеличить световые помехи. 3. Может ли черное тело быть белого цвета? А. Не может. Б. Может, если покрасить его белой краской. В. Может, если температура тела приближается к абсолютному нулю. Г. Может, если темпе ратура тела ниже 0°С. Д. Может, если температура тела выше 6000 К. 4. В какой из этих телескопов можно увидеть наибольшее количество звезд? А. В рефлектор с диаметром объектива 5 м. Б. В рефрактор с диаметром объектива 1 м. В. В радиотелескоп с диаметром 20 м. Г. В телескоп с увели чением 1000 и с диаметром объектива 3 м. Д. В телескоп с диаметром объ ектива 3 м и увеличением 500. 5. Какие из этих светил с такой температурой на поверхности не существуют во Вселенной? А. Звезда с температурой 10000°С. Б. Звезда с температурой 1000 К. В. Пла нета с температурой -300 °С. Г. Комета с температурой 0 К. Д. Планета с тем пературой 300 К. 6. Чем объясняются разнообразные цвета звезд? 7. Почему в телескоп мы видим больше звезд, чем невооруженным глазом? 8. Почему наблюдения в космосе дают больше информации, чем наземные те лескопы? 9. Почему звезды в телескоп видны как яркие точки, а планеты в тот же теле скоп — как диск? 10. На какое наименьшее расстояние надо улететь в космос для того, чтобы космо навты невооруженным глазом видели Солнце как яркую звезду в виде точки? 11. Говорят, что некоторые люди имеют такое острое зрение, что даже невоо руженным глазом различают крупные кратеры на Луне. Вычислите достовер ность этих фактов, если крупнейшие кратеры на Луне имеют диаметр 200 км, а среднее расстояние до Луны 380000 км. Диспуты на предложенные темы , 12. Сейчас в космосе строится международная космическая станция, на кото рой Украина будет иметь космический блок. Какие астрономические прибо ры вы могли бы предложить для проведения исследований Вселенной? Задания для наблюдений . 13. Телескоп-рефрактор можно изготовить при помощи линзы для очков. Для объектива можно использовать линзу из очков +1 диоптрии, а в качестве окуляра — объектив фотоаппарата или другую линзу для очков +10 диоп трий. Какие объекты вы сможете наблюдать в такой телескоп? Ключевые понятия и термины: Непрерывный спектр, радиотелескоп, рефлектор, рефрактор, разрешающая спо собность глаза, спектр, спектральные наблюдения, телескоп, черное тело. 55
- 56. Изучив этот параграф, мы узнаем: чем отличаются две группы планет Солнечной системы; суть парникового эффекта, который создают в атмосфере Земли не которые газы; о внутреннем строении Земли и почему движутся материки; почему на Луне происходит смена фаз; чем отличаются физические условия на поверхности Луны и Земли. Планеты земной группы и планеты-гиганты Планеты Солнечной системы по размерам и строению делятся на две группы — планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Суще ственное отличие между этими группами планет заключается в таких факторах (см. таблицу): • планеты земной группы имеют твердую поверхность, потому что состоят преимущественно из тяжелых химических элементов; • планеты-гиганты образовались преимущественно из водорода и гелия, поэтому их средняя плотность невелика, а между ат мосферой и поверхностью нет четкой границы. Земля © Радиус 6378 км Масса 6 • 10 2 4 кг Плотность 5,5 г/см 3 Атмосфера: N2 , 02 , Н2 0 Давление у поверхности 1 атм Большая полуось орбиты 1 а. о. ~ 150 • 10 6 км Год 365 сут. 5 ч 48 мин 46 с Температура поверхности: средняя +16°С максимальная +60 °С минимальная -88°С Основные параметры Средняя плотность Химический состав Температура под облаками Количество спутников Планеты Земная группа 5 г/см 3 Fe, Si, Al 200—700 К 3 Гиганты 1 г/см 3 Н2 , Не 2000 К 163 Рис. 7.1. Сравнитель ные размеры планет земной группы и планет-гигантов 56
- 57. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА Земля Земля (рис. 7.2) движется по своей орбите во круг Солнца со средней скоростью — около 30 км/с. Кроме того, вращаясь вокруг собственной оси, она делает один оборот за сутки. Земля окружена атмо сферой, которая простирается в космос более чем на 1000 км, что создает на ее поверхности благоприят ные условия для существования жизни (температу ра, состав атмосферы, огромное количество воды). Химический состав атмосферы (рис. 7.3) неод нороден. Наибольшей составляющей атмосферы у по верхности Земли (по объему 78%) является азот N2, который играет важную роль в жизни растений. Кис лород 02 является необходимым элементом для дыха ния всех живых существ на Земле и составляет 21% объема атмосферы. Водяной пар Н2 0 в атмосфере за держивает инфракрасное излучение Земли и создает парниковый эффект. Вследствие этого температура на Земле повышается. Если бы не было в атмосфере водяного пара, то на нашей планете наступил бы ледниковый период — температура даже на экваторе могла бы понизиться до -25 °С. Погода (ветры, циклоны и антициклоны) фор мируется в нижних слоях атмосферы, которая назы вается тропосферой, где передача энергии происхо дит за счет излучения и конвекции. Океаны и моря на поверхности Земли аккуму лируют огромное количество солнечной энергии, так как вода имеет одну из самых высоких в природе удельных теплоемкостей, поэтому на материках, как правило, в течение суток и даже в течение года не наблюдается резкого перепада температуры. Рис. 7.2. Фотография Земли из космоса Рис. 7.3. Строение зем ной атмосферы. Воздух нагревается от поверхно сти Земли, поэтому с вы сотой температура в тро посфере понижается Для любознательных Если бы количество кислорода в атмосфере составляло больше процен тов, то возникали бы постоянные пожары, так как мокрые деревья горели бы как спички, а если бы кислорода в атмосфере было меньше чем 18%, то невоз можно было бы зажечь спичку. Слой озона 03 (аллотропная модификация кислорода) защищает живые организмы от ультрафиолетового излучения Солнца, которое уничтожает микро организмы, растения и вызывает заболевания у людей. Если бы не стало озоно вого слоя в атмосфере, то не было бы жизни на поверхности Земли. Магнитное поле Земли создает вокруг нашей планеты на вы соте свыше 500 км пояса радиации. Элементарные частицы, движу щиеся в межпланетном пространстве с огромной скоростью, имеют 57
- 58. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА электрический заряд, взаимодействуют с магнитным полем Земли и по этому не долетают до атмосферы. Таким образом, магнитное поле за щищает жизнь на Земле от смертельных потоков космических частиц. Экологическая система Земли Экологическая система Земли находится в состоянии своеобраз ного устойчивого равновесия, поэтому небольшие возмущения в ат мосфере или изменения солнечной радиации существенно не влияют на общее состояние этой системы. Но геологические исследования по казывают, что в прошлом происходили экологические катастрофы, в результате которых резко снижалась температура и наступали ледниковые периоды. Для прогнозиро вания будущего нам необходимо знать причины, приводящие к таким катастрофическим процессам. Причиной внезапного понижения температуры на по верхности Земли могут быть внешние факторы, на пример падение астероида (см. §11), геологические процессы — извержения вулканов или движение ма териков, и антропогенные факторы. Строение Земли. Геологические исследования по казали, что температура внутри Земли каждые 34 м возрастает на 1°С и в скважинах на глубине 10 км до стигает +300 °С. Центральная часть Земли образует ме таллическое ядро (рис. 7.4). Внешняя часть ядра на ходится в расплавленном состоянии при температуре 7000 °С, а внутренняя — твердая. Выше находится си ликатная оболочка, или мантия. На мантии «плавает» кора, толщина которой неодинакова — от 5—7 км под океанами до нескольких десятков километров под ма териками. Вследствие конвекции в мантии земная ко ра разделилась на отдельные плиты, которые медлен но смещаются (рис. 7.5). Экологическую катастрофу может создать даже техногенная деятельность человека, в результате кото рой изменяется химический состав атмосферы. Напри- Рис. 7.4. Внутреннее строение Земли Рис. 7.5. Движение мате риков: а — Считают, что 200 млн лет назад суще ствовал единый мате рик — Пангея и один мировой океан; б — Вследствие конвекции в мантии земная кора разделилась на отдель ные тектонические пли ты, которые медленно движутся 58
- 59. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА мер, сжигание большого количества органического топлива приводит к уменьшению кислорода в атмосфере и увеличению углекислого газа, создающего парниковый эффект. В XX в. средняя температура Земли повысилась на 0,8 °С, что привело к интенсивному таянию ледников и повышению уровня океана, в результате чего были затоплены боль шие площади плодородных низин. Человечество сможет избежать экологической катастрофы, если будет больше использовать альтерна тивные источники энергии, не загрязняющие окружающую среду,— энергию земных недр, ветровую и солнечную энергию (см. § 12.7). Для любознательных Парниковый эффект создает пленка в парнике, которой накрывают гряд ку. Днем солнечный свет проходит сквозь пленку и нагревает землю. Если почва темного цвета, то в обратном направлении излучается энергия в инфракрасной, части спектра, которая задерживается пленкой. В атмосфере Земли парниковый эффект создают углекислый газ и водяной пар. Луна Луна является естественным спутником Земли, на котором атмосфера отсутствует. Фазы Луны, то есть изменения ее внешнего вида, наступают вследствие того, что Луна светит отраженными сол нечными лучами. Обращаясь вокруг нашей планеты, она занимает раз личные положения относительно Земли и Солнца, поэ тому мы видим разные части ее дневного полушария. Чтобы понять, почему мы видим фазы Луны, начнем с новой Луны, которая с поверхности Земли почти ни когда не видна, потому что к нам развернуто ее ночное полушарие (рис. 7.6). Луну в этой фазе можно увидеть только во время солнечных затмений, когда темный диск Луны виден на фоне яркого Солнца (рис. 7.7). Рис. 7.6. Смена фаз Луны происходит вследствие того, что к Земле в раз ное время повернуты разные части дневного и ночного полушарий Луны Рис. 7.7. Затмение Солнца Синодический период обращения Луны (29,5 земных суток) — промежуток времени, в течение которого происходит измене ние фаз. Сидерический период обращения Луны (27,3 земных суток) — время обращения Лу ны вокруг Земли отно сительно звезд 59
- 60. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА Первая четверть наступает через неделю, когда к Земле повер нуты половина дневной и половина ночной стороны Луны. Полнолу ние наступает в тот момент, когда Луна находится с противополож ной стороны от Солнца. Последняя четверть, или старая Луна, наблюдается в юго-восточной части небосвода перед рассветом. Для любознательных Среди всех астрономических явлений, наверное, наибольшее внимание лю дей привлекает затмение Солнца, которое происходит в тот момент, когда тень от Луны достигает поверхности Земли. Хотя Луна через каждые 29,5 суток находится между Солнцем и Землей (фаза — новолуние), затмения происходят гораздо реже, потому, что плоскость орбиты Луны наклонена к эклиптике под углом 5°. На орби те существуют две точки, в которых Луна пересекает плоскость эклиптики — они называются узлами лунной орбиты. Затмение Луны или Солнца могут состояться только в том случае, когда Луна находится вблизи узла орбиты. Узлы лунной орби ты смещаются в космическом пространстве, поэтому затмения происходят в разное время года. Период повторения затмений, или сарос, знали еще египетские жрецы 4000 лет назад. Современные вычисления дают следующее значение сароса: = 6585,33 суток = 18 лет 11 суток 8 часов. В течение одного сароса в разных местах на поверхности Земли происходит 43 затмения Солнца и 25—29 затмений Луны, причем солнечные и лунные затмения всегда происходят парами с интерва лом 2 недели: если в одном узле лунной орбиты происходит затмение Солнца, то через 2 недели в другом узле происходит затмение Луны (см. прил. 6, 7.). Физические условия на Луне Несмотря на то, что Луна находится почти на таком же рассто янии от Солнца, как Земля, и единица ее поверхности получает столь ко же энергии, что и единица поверхности Земли, физические условия на этих космических телах существенно отличаются. Главная причина таких различий связана с тем, что сила тяжести на Луне меньше зем ной в 6 раз, поэтому она не может удержать у поверхности молекулы газов. В течение миллиардов лет погода на Луне одинакова: 2 недели светит Солнце и поверхность нагревается до темпе ратуры +130 °С, а после двухнедельной ночи по верхность охлаждается и температура на рассвете падает до -160 °С. При высокой дневной температу ре молекулы газов покидают сферу притяжения Луны, поэтому там невозможно существование плотной атмосферы. На Луне даже днем темное не бо, как в межпланетном пространстве, там не бы вает ни ветров, ни дождей. Смены времен года не происходит, потому что ось обращения Луны поч ти перпендикулярна к плоскости орбиты. На поверхности Луны даже невооруженным глазом видны темные участки, которые названы морями (рис. 7.8), и светлые, которые астрономы назвали материками. 60
- 61. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА Химический состав почвы на Луне,% (По данным АМС «Луна-20») В морях нет ни капли влаги, поскольку в ва кууме вода мгновенно закипает и испаряется или за мерзает. Вода в твердом состоянии могла сохраниться под поверхностью на глубине нескольких десятков метров, где в течение суток температура не изменя ется и равна -30°С. Во время наблюдений в телескоп видно, что на светлых материках преобладают кратеры — круглые горы диаметром до нескольких сотен километров и вы сотой несколько километров (рис. 7.9). Большинство кратеров имеют метеоритное происхождение, хотя некоторые из них могли образоваться при извержении вулканов, из ко торых вытекала расплавленная лава и заполняла более низкие участ ки,— так возникли моря. Извержения вулканов прекратились очень давно. Возраст старейших твердых скал на материках — 4,4 млрд лет, в то время как лава в морях застыла около 3 млрд лет назад. Для любознательных Падение метеоритов является основным фактором, который изменяет внеш ний вид поверхности Луны и приводит к своеобразной эрозии лунного грунта. На пример, метеорит массой 1 кг, летящий со скоростью 10 км/с, имеет такую кинети ческую энергию, что при столкновении с поверхностью Луны может образовать кратер диаметром 1 м и разбросать на несколько десятков метров камни и пыль. На Луну постоянно падают тысячи метеоритов разной массы (см. §11), которые не прерывно изменяют внешний вид ее поверхности. Правда, крупные кратеры диаме тром несколько сотен километров образовались еще 4 млрд лет назад, когда пада ло больше метеоритов. В течение миллиардов лет космические «бомбардировки» так раздробили верхний слой лунного грунта, что он превратился в «пыль». Рис. 7.8. Моря на Луне образовались после извержения вулканов, которые действовали миллиарды лет назад. Моря имеют темный цвет, так как по химиче скому составу там больше железа, а на светлых участках больше алюминия Рис. 7.9. Сейчас кратеры на Луне образуются после падения метеоритов, хотя 3 млрд лет назад там дей ствовали вулканы 61
- 62. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА Главные этапы космических исследований Луны Исследования Луны с помощью космических аппаратов Космические аппараты для лунных исследований начали исполь зовать в СССР еще на заре космической эры. В 1959 г. АМС серии «Лу на» впервые в мире долетели до Луны: «Луна-1» стала первой искус ственной планетой Солнечной системы, «Луна-2» достигла поверхности Луны, а «Луна-3» сфото графировала обратную сторону Луны и передала ее телевизионное изображение на Землю. В феврале 1966 г. «Луна-9» совершила мягкую посадку в Оке ане Бурь и впервые в мире передала телевизионный «репортаж» с поверхности другого мира. Мы уви дели, что действительно поверхность Луны покры та пылью, но прочность грунта достаточна для то го, чтобы удержать станцию на поверхности. Затем Луну исследовали АМС «Луноход-1, 2» (рис. 7.11), которые перемещались по поверхности, и АМС «Лу- на-20, 24», которые в автоматическом режиме впер вые доставили на Землю образцы лунного грунта. 21 июля 1969 г. на поверхность Луны совершил посадку пи лотируемый космический корабль «Аполлон-11» (США) и астронавт Нейл Армстронг сделал первый шаг по поверхности другого мира — так начался новый этап в исследовании космоса. Всего на поверхности Луны побывало 12 астронавтов, которые привезли на Землю образ цы лунного грунта. Исследования показали, что поверхность Луны почти полностью покрыта тонким слоем пыли и обломками камней. Этот слой назвали реголитом (с греч.— раздробленный камень). Тол- .щина реголита не постоянна и составляет в среднем несколько ме тров. Анализ реголита принес неожиданные результаты: размеры этих частиц — от микрометров до метров; по химическому составу микрочастицы наполовину состоят из оксидов кремния, и являются фактически маленькими стеклянными шариками, которые образова лись после падения микрометеоритов (рис. 7.12). Год 1959 1959 1966 1969 1970 Аппарат Луна-2 Луна-3 Луна-9 Аполлон-11 Луноход-1 Страна СССР СССР СССР США СССР Рис. 7.10. Изображение обратной стороны Лу ны, которое было соз дано на основе фото графий АМС «Луна-3». Десятки кратеров на Луне назвали в честь украинских астрономов 62
- 63. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА Для будущих космонавтов Сможет ли человечество когда-нибудь использовать Луну как базу для кос мических поселений? Если учесть расходы на космические полеты, то 1 кг лунно го грунта, который доставили астронавты на Землю, оценивается во столько же, сколько стоит 1 т золота, которое добывают на золотых приисках на Земле. Но главная цель научных исследований состоит в том, чтобы на Луне создать базу для изучения более дальних планет. Хотя вес космонавтов на Луне в б раз меньше, чем на Земле, ходить по поверхности Луны в скафандре неудобно, так как сила трения тоже меньше. Жилые помещения можно построить под поверхно стью, где на глубине нескольких метров днем и ночью сохраняет ся постоянная температура, а ис точником энергии послужат сол нечные электростанции. Большие телескопы на поверхности Луны позволят получать гораздо боль ше информации о далеких ми рах, потому что там атмосфера отсутствует и не будет влиять на качество изображения. Рис. 7.11. «Луноход-1» Рис. 7.12. Типичный лунный пейзаж. На по верхности преобладает темно-серый цвет грунта, припорошен ный слоем реголита Выводы Единицы поверхности на Земле и Луне получают от Солнца почти одина ковое количество энергии, но физические условия на их поверхностях суще ственно отличаются. Главная причина такого отличия климата — отсутствие ат мосферы на Луне. Воздух на Земле создает защитное одеяло, которое повышает температуру на нашей планете и оберегает жизнь от смертельного космическо го излучения. Луна — это мертвый мир, в котором отсутствует жизнь. В будущем под поверхностью Луны можно создать научные базы. 63
- 64. §7. ЗЕМЛЯ И ЛУНА . • • • • . . • • Тесты ' 1. Температура в недрах Земли с глубиной: А. Уменьшается, потому что Солнце нагревает только поверхность. Б. Умень шается, так как под поверхностью находится слой вечной мерзлоты. В. Уве личивается, так как в центре Земли протекают химические реакции. Г. Увели чивается, так как в недрах происходит радиоактивный распад ядер тяжелых химических элементов. Д. Остается стабильной. 2. Тропосфера — это нижний слой земной атмосферы, где температура с высотой: А. Увеличивается, потому что верхние слои атмосферы находятся ближе к Солн цу. Б. Увеличивается, так как в верхних слоях атмосферы нет облаков. В. Умень шается, потому что атмосфера нагревается от Земли. Г. Уменьшается, так как в верхних слоях атмосферы меньше кислорода. Д. Остается стабильной. 3. Предположим, что сегодня на Земле наблюдается затмение Луны. Что уви дят в это время на Луне космонавты? А. Восход Солнца. Б. Кульминацию Солнца. В. Затмение Солнца. Г. Затмение Луны. Д. Закаты. 4. Полная Луна находится на горизонте. В какое время суток можно наблюдать такое явление в Украине? А. Утром. Б. Днем. В. Вечером. Г. В полночь. Д. Никогда. 5. Какими из этих приборов космонавты могут пользоваться на поверхности Луны? А. Компас. Б. Телескоп. В. Радиоприемник. Г. Телевизор. Д. Барометр. 6. К какой группе планет относится Земля? 7. Почему на материках в течение года не наблюдается резкого перепада тем ператур? 8. Как изменяется с высотой температура в тропосфере? 9. Сегодня Луна наблюдается в первой четверти. Будет ли завтра Луна видна в полночь? 10. Почему вода на поверхности Луны не может существовать в жидком состо янии? 11. Почему с поверхности Земли мы видим только одно полушарие Луны? 12. С помощью подвижной карты звездного неба определите, на фоне какого созвездия наблюдается Луна в день вашего рождения в текущем году? Ког да Луна восходит и заходит в этот день? Диспуты на предложенные темы 13. Что вы могли бы предложить для освоения Луны в будущем? Задания для наблюдений 14. Измерьте угол между направлением на Солнце и Луну и определите его фа зу. Первая четверть наступит, когда этот угол равен 90°, полнолуние — 180°. Ключевые понятия и термины: Экологическая катастрофа, затмение Луны, затмение Солнца, кратер, ледни ковый период, парниковый эффект, реголит, сидерический месяц, синодический месяц, тропосфера, фазы Луны, 64
- 65. §8. Планеты земной группы Изучив этот параграф, мы узнаем: какие условия существуют на поверхности планет земной группы; почему на Венере и днем, и ночью невероятная жара; есть ли жизнь на Марсе. Планеты земной группы Планеты земной группы — Меркурий, Венера, Земля и Марс — по сравнению с планетами-гигантами имеют относительно небольшие размеры, твердую поверхность и значительную плотность (около 5 г/см 3 ), так как состоят преимущественно из тяжелых химических элементов (рис. 8.1). Эти планеты имеют горячее металлическое ядро, окружен ное мантией из силикатных пород. Верхний слой планет — кора, фор мируется под действием, как внутреннего тепла, так и внешних (кос мических) факторов. Но температура на поверхности планет земной группы существенно отличается, потому что они получают от Солнца разное количество энергии. К тому же в атмосферах Меркурия, Вене ры и Марса почти нет кислорода, а давление существенно отличается от атмосферного давления на Земле. Если на поверхности Земли есть условия для существования жизни, то на поверхности других планет пока не обнаружено даже примитивных бактерий. Меркурий Меркурий является самой маленькой планетой Солнечной си стемы, которую редко кому приходилось наблюдать невооруженным глазом, потому что она находится близко от Солнца. Меркурий очень медленно вращается вокруг своей оси — солнечные сутки вдвое длиннее, чем период его обращения вокруг Солнца. Следовательно, Рис. 8.1. Относительные размеры планет земной группы 65
- 66. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ в течение почти трех месяцев там светит Солнце и столько же про должается ночь. Снимки поверхности Меркурия, сделанные с помощью АМС «Ма- ринер-10» (США), поражают сходством его рельефа с поверхностью Лу ны — такое же огромное количество кратеров, что свидетельствует об одинаковой природе этих космических тел (рис. 8.2). Кратеры на Мер курии названы именами известных поэтов, писате лей, художников, композиторов. Один из крупных кратеров назван в честь Тараса Шевченко. На поверхности Меркурия были обнару жены также огромные равнины, заполненные за стывшей базальтовой лавой. Это свидетельствует о том, что планета была когда-то разогрета, вслед ствие чего в то время происходила интенсивная вулканическая деятельность (рис. 8.3). Рис. 8.3. Застывшая лава на равнине Калорис свидетельствует о том, что Меркурий 3 млрд лет назад был разогрет за счет внутреннего тепла, и тогда действовали сотни вулканов. Свежие кратеры образовались после падения метеоритов Меркурий Радиус 0,38 Масса 0,06 Плотность 5,4 г/см 3 Ускорение свободного падения 0,38 Орбита а = 0,39 а. е. Год 88 з. сут Солнечные сутки 176 з. сут Температура,°С: днем +430 ночью -170 Рис. 8.2. Кратеры на Меркурии Для любознательных Продолжительность дня и ночи и погода на Меркурии не изменяются, так как его ось вращения почти перпендикулярна к плоскости орбиты, и смены вре мен года на нем не происходит. Дневная температура достигает +430°С, но в тече ние ночи поверхность планеты сильно охлаждается, и температура на рассвете снижается до -170°С Почва Меркурия очень раздроблена и имеет низкую тепло проводность, поэтому уже на глубине нескольких десятков сантиметров темпе ратура не меняется. Меркурий не может удерживать постоянную атмосферу, но у поверхности планеты удалось обнаружить присутствие атомов гелия — это объясняется солнечным ветром, который состоит из элементарных частиц и отдель ных ядер легких химических элементов. В гравитационном поле Меркурия атомы гелия могут двигаться не более 200 суток, а затем теряются в межпланетном про странстве. Итак, атмосфера этой планеты напоминает реку, составляющие которой постоянно «плывут» от Солнца мимо Меркурия до Земли и более далеких планет. 66
- 67. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ Венера Венера привлекает внимание людей тем, что на нашем небе ее яркость в десятки раз превыша ет блеск звезд первой звездной величины. Украин ское народное название планеты — Вечерняя или Утренняя звезда, потому что она первой появля ется на вечернем небосклоне и последней гаснет на рассвете. Долгое время Венеру называли планетой за гадок, ибо плотные облака закрывают ее поверх ность (рис. 8.4). Только недавно радионаблюдения обнаружили, что Венера медленно вращается во круг оси в обратном направлении (по сравнению с вращением Земли) и солнечные сутки там про должаются 117 земных суток. На первый взгляд, Венера очень похожа на Землю, потому, что эти планеты имеют почти оди наковые размеры и массу. Астрономы ожидали, что климат на Венере немного теплее по сравнению с земным, а фантасты даже писали о возмож ной жизни на этой таинственной планете. Впервые в истории человечества АМС серии «Венера» (СССР) совершили мягкую посадку на Венеру и передали на Землю телевизионное изображение ее поверхно сти (рис. 8.5, 8.6). В облаках на Венере кроме паров воды об разуются капли серной кислоты, но к поверх ности эти кислотные дожди не долетают, так как под облаками температура резко повышает ся (на поверхности +480 °С) и капли испаряются. Основной слой облаков находится на значитель ной высоте (50—60 км), что объясняется большим атмосферным давлением, которое у поверхности достигает 90 атм — такое давление на Земле в оке ане на глубине 900 м. Рис. 8.4. Облака на Венере, видимые во время наблюде ний при помощи телескопа Венера Радиус 0,95 Масса 0,8 Плотность 5,2 г/см 3 Ускорение свободного падения 0,9 Орбита а=0,72 а. е. Год 225 з. сут Солнечные сутки 117 з. сут Атмосфера: С02 , N2 , H2 0 Атм. давление 90 атм. Температура поверхности, °С: днем +480 ночью +480 Рис. 8.5. Панорама поверх ности Венеры, которую пе редала АМС «Венера-14». Небо днем тусклое, как на Земле перед дождем. Цвет облаков и поверхности крас ный, потому что атмосфера поглощает солнечные лучи в синей части спектра
- 68. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ Облака на Венере, скорее, напоминают слабую мглу, в которой видны предметы на расстоянии до 1 км. Загадкой Венеры остается вопрос: почему в ат мосфере планеты так много углекислого газа и так мало воды? Исследования показывают, что общее ко личество углекислого газа и воды, которая выделя лась при извержении вулканов на Земле и Венере, было когда-то примерно одинаковым. Возникает есте ственный вопрос: куда делась вода с поверхности Ве неры? Были ли когда-то на Венере океаны и моря? Астрономы составили подробную карту Венеры, на которой обо значены сотни кратеров, большинство из которых прежде были вулка нами, потому что почти 80% поверхности Венеры покрыты вулкани ческой лавой (рис. 8.7). Некоторые кратеры образовались после падения астероидов. По традиции названия кратеров на Венере даются в честь выдающихся женщин, сделавших существенный вклад в прогресс на шей цивилизации. Один из вулканов назвали в честь астронома Харь ковской астрономической обсерватории Валентины Федорец. Рис. 8.6. АМС «Вене ра-14» (СССР) Рис. 8.7. При помощи радиолокатора удалось заглянуть под облака. Поверхность Венеры покрыта лавой от из вержения вулканов Для любознательных Температура поверхности Венеры составляет +480°С, остается постоян ной в течение суток и не меняется в зависимости от расстояния до полюса или экватора. При таких условиях на Венере не происходит резких изменений пого ды — никогда не бывает ураганов, а скорость ветра у поверхности не превыша ет 1 м/с. Высокая температура у поверхности планеты обусловлена парниковым эффектом. Главная составляющая атмосферы Венеры — углекислый газ (С02 ) — около 97% объема. Неожиданностью оказалось то, что в течение двухмесячной ночи на поверхности Венеры не наблюдается абсолютной темноты. Кроме посто янных вспышек молний, сопровождающихся раскатами грома, ночью видно све чение верхних слоев атмосферы. Ночное освещение усиливают огни от действу ющих вулканов, которые, вследствие преломления лучей в атмосфере, видны на расстоянии сотен километров. 68
- 69. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ Для будущих космонавтов На поверхности Венеры человек выжить не сможет, так как современные скафандры не выдержат атмосферное давление в 90 атм. Возможно, что космонав ты будут пользоваться самолетами и воздушными шарами, которые смогут летать в верхних слоях атмосферы планеты на высотах около 50 км, где температура и дав ление такие, как на Земле. Не исключена возможность существования чужих форм жизни, которые приспособились к условиям на Венере, ведь даже некоторые виды земных бактерий могли бы выжить в облаках на этих высотах. Фантасты предлага ют поселить в облаках бактерии, которые будут поглощать углекислый газ и выде лять кислород. Со временем на Венере может понизиться температура, на поверх ность выпадут дожди, потекут реки и снова образуются моря. Марс Названный когда-то за свой красный цвет в честь бога войны, «кровавый» Марс во время противостояний по яркости уступает толь ко Венере. Хотя масса и радиус Марса меньше, чем Земли, но продолжительность суток (24,6 ч) и смена времен года (ось вращения наклонена под углом 65° к плоскости орбиты) напоминают нашу планету. Правда, продолжительность сезо нов на Марсе почти в 2 раза длиннее, чем на Зем ле. Даже в небольшие телескопы на Марсе видны белые полярные шапки (рис. 8.8), свидетельству ющие о наличии воды в атмосфере планеты. Марс привлек особое внимание людей после того, как в 1877 г. итальянский астроном Д. Ски- апарелли открыл каналы. Тоненькие, едва за метные линии, соединявшие темные участки поверхности Марса, напоминали человечеству оро сительные системы на Земле, поэтому фантасты выдвинули идею о высоком интеллекте марсиан ской цивилизации. Эти сообщения увлекли амери канского миллионера П. Ловелла, который оста вил торговлю и специально для поисков жизни на Марсе построил огромную астрономическую обсерваторию. После исследования Марса с помо щью АМС было установлено, что каналы являют ся своеобразной оптической иллюзией, которую создают отдельные участки марсианского ланд шафта — горы, долины, кратеры (рис. 8.9). С близкого расстояния Марс больше похож на Луну, чем на Землю, ибо множество круглых кратеров свидетельствует об интенсивной метео ритной бомбардировке в прошлом. На некоторых склонах метеоритных кратеров видны застывшие Рис. 8.8. Вид Марса в телескоп 69
- 70. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ Рис. 8.9. «Каналы» на Марсе оказались свое образной оптической иллюзией, которую соз дают отдельные участки марсианского ландшаф та. Рисунок итальянско го астронома Д. Скиапа- релли потоки какой-то жидкости,— возможно, при взрыве из недр выделя лась вода, а потом при низкой температуре снова замерзала (рис. 8.10, 8.11). Ряд кратеров на Марсе назвали в честь украинских астроно мов: Барабашов, Герасимович, Семейкино, Струве, Фесенков. Есть ли жизнь на Марсе? Разреженная атмосфера и большие суточные перепады температуры делают невозможным существова ние высокоразвитых форм жизни растений или животных. На сним ках поверхности (рис. 8.12) видно красную пустыню с дюнами пе ска, который переносится ветром на тысячи километров. Красный цвет марсианского грунта объясняют значительным содержанием (до 16%) оксидов железа (обычной ржавчины). Об отсутствии жизни на поверхности Марса свидетельствуют также результаты эксперимен тов, которые непосредственно проводились при помощи АМС — при сутствие микроорганизмов на поверхности не зарегистрировано. Рис. 8.10. Марс с высо ты нескольких сотен ки лометров. На горизон те — тонкий слой разреженной атмосфе ры. Слева — странный кратер, напоминающий лицо человека, который улыбается 70
- 71. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ Рис. 8.11. Вулкан Олимп, расположенный недалеко от экватора Марса,— самая высо кая гора Солнечной си стемы. Диаметр вулка нической платформы достигает 700 км, вер шина имеет высоту 27 км, а диаметр жерла вулкана — 75 км '::;;•*:•; vV; ». '. • .-.':. : . На Марсе никогда не выпадает дождь, поэтому паров воды в атмосфере в 100 раз меньше, чем на Земле. На самой поверхности Марса вода в жидком состоянии не замечена, потому что при давле нии 0,006 атм температура кипения воды снижается до +3°С. То есть как только на поверхности образуется небольшая лужа, вода за кипает и испаряется. Запасов воды в виде снега и льда под поверх ностью Марса может быть намного больше — если бы равномерно ее распределить по поверхности, то глубина такого моря могла бы достигать нескольких сотен метров. Русла высохших рек на поверх ности свидетельствуют, что в прошлом на Марсе была более плотная атмосфера, выпадали дожди и могла существовать жизнь. Климат на Марсе мог измениться из-за столкновения с астероидом. Для любознательных На Марсе обнаружена очень разреженная атмосфера. Главная ее составля ющая — углекислый газ С02 (95% объема). Атмосферное давление не превышает 0,006 атм (такое низкое давление наблюдается в земной атмосфере на высоте 20 км), поэтому парниковый эффект невелик — этим объясняются значительные суточные колебания температуры. Самая высокая температура летом вблизи эква тора на темных участках почвы поднимается до +22 °С, но в том же месте темпе ратура перед рассветом опускается до -50 °С. Зимой у полюсов, где полярная ночь длится 8 месяцев, мороз достигает -133°С,— это самая низкая возможная темпе ратура на поверхности Марса. При таких условиях начинается конденсация угле кислого газа, когда выделяется тепло. Температура остается постоянной, пока весь углекислый газ из атмосферы не перейдет в твердое состояние. 71
- 72. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ Для будущих космонавтов На поверхности Марса тоже следует одевать скафандры, но опыт космиче ских экспедиций на Луну показывает, что люди смогут работать на этой планете. Основной проблемой марсианских экспедиций будет большая продолжительность космических перелетов Земля — Марс — Земля (см. § 5), потому что космонавты будут вынуждены находиться за пределами Земли более двух лет. Межпланетный корабль с массой в несколько тысяч тонн будут монтировать на орбите вокруг Земли, и возможно на Марс полетит международная экспедиция из 5—10 космо навтов. В будущем на Марсе могут создать космическую базу — строительным ма териалом послужат горные породы, а источником энергии — солнечные лучи. Во ду можно использовать для получения кислорода и водорода, которые станут дополнительным источником энергии. Не исключено, что под поверхностью Мар са могут существовать залежи нефти и газа. Наконец, экспедиции разгадают основную тайну этой планеты — есть ли на Марсе какие-либо живые организмы? Рис. 8.12. Панорама поверхности Марса. Красный цвет поверхности придают окис лы железа. Сильные ветры поднимают пыль, поэтому цвет неба тоже розовый. Сле ва рельсы, по которым съехал марсоход — он остановился под камнем на холме. Внизу справа — парашют ВЫВОДЫ Хотя планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) похожи по размерам, массе и внутреннему строению, но физические условия на поверх ности Меркурия, Венеры и Марса очень отличаются от земных, поэтому там не обнаружены признаки жизни. На Меркурии отсутствует постоянная атмосфера, по этому колебания температуры в течение суток там почти такие же, как на Луне. На Венере плотная атмосфера из углекислого газа создает невозможные для су ществования живых существ условия — там и днем и ночью температура +480 °С. Марс будет первой планетой, которую в недалеком будущем посетят люди, но жить 72
- 73. §8. ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ там можно только в скафандрах. Есть предположение, что некогда на Марсе бы ла более плотная атмосфера, выпадали дожди, текли реки и, возможно, существо вала жизнь. Не исключено, что и теперь живые организмы существуют под по верхностью планеты, где обнаружено большое количество льда. Тесты 1. С поверхности какой планеты земной группы никогда нельзя увидеть Солнце? А. Меркурия. Б. Венеры. В. Земли. Г. Марса. 2. На каких планетах земной группы в облаках обнаружена серная кислота? А. На Меркурии. Б. На Венере. В. На Земле. Г. На Марсе. 3. На поверхности какой планеты земной группы наблюдается самый длинный день? А. На Меркурии. Б. На Венере. В. На Земле. Г. На Марсе. 4. Какая планета земной группы имеет самую плотную атмосферу? А. Меркурий. Б. Венера. В. Земля. Г. Марс. 5. На поверхности какой планеты земной группы наблюдается самая большая продолжительность солнечных суток? А. На Меркурии. Б. На Венере. В. На Земле. Г. На Марсе. 6. Почему Меркурий не может удерживать постоянную атмосферу? 7. Какая планета обращается вокруг оси в противоположном по сравнению с Землей направлении? 8. На каких планетах земной группы происходит смена времен года? 9. Венера находится дальше от Солнца, чем Меркурий, тогда почему темпера тура на ее поверхности выше, чем на Меркурии? 10. Какие существуют доказательства того, что на поверхности Марса когда-то была вода в жидком состоянии? 11. На каких планетах земной группы возможно существование жизни? 12. Вычислите свой вес на поверхности Меркурия, Венеры и Марса. 13. Вычислите наименьшее и наибольшее расстояния между Землей и Марсом. Диспуты на предложенные темы 14. Могли бы разумные марсиане, наблюдая Землю в свои телескопы, обнару жить доказательства существования жизни? Существование разумной циви лизации на Земле? Задания для наблюдений 15. Нарисуйте положения Венеры относительно горизонта и относительно звезд и наблюдайте, как меняются эти положения в течение нескольких недель. Сделайте вывод, как изменилась яркость планеты за это время. 16. Во время противостояний Марса определите моменты, когда планета оста навливается и начинает двигаться относительно звезд в обратном направ лении — с востока на запад. Ключевые понятия и термины: Вечерняя или Утренняя заря, Марсианские каналы, пылевые бури, планеты зем ной группы, полярные шапки.
- 74. Изучив этот параграф, мы узнаем: почему планеты-гиганты не имеют твердой поверхности; станет ли Юпитер звездой; о странной смене времен года на Уране. Общая характеристика планет-гигантов Планеты-гиганты в отличие от планет земной группы не име ют твердой поверхности, по химическому составу (99 % водорода и гелия) и плотности ( 1 г/см3 ) они напоминают звезды. Большая масса этих планет способствует нагреву ядер до температуры свы ше + 10000°С (рис. 9.1). Кроме того, планеты-гиганты довольно бы стро обращаются вокруг оси и имеют большое количество спутников (см. § 10). Главной загадкой всех планет-гигантов явля ется источник внутренней энергии, которую излу чают эти планеты в инфракрасной части спектра. Источником энергии не могут быть термоядерные реакции, потому что масса планет-гигантов недо статочна для превращения их в звезды. Не ис ключена возможность, что гиганты излучают энер гию, которая была накоплена при образовании Солнечной системы. Возможно, что в прошлом Юпитер имел достаточно высокую температуру на поверхности и светился на небе молодой Земли в 100 раз ярче Луны. Рис. 9.1. Относительные размеры планет-гигантов 74
- 75. §9. ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ Юпитер Юпитер был назван в честь могущественного бо га римской мифологии. Это самая большая планета Сол нечной системы. Основными компонентами атмосферы Юпитера являются водород — 86,1% и гелий — 13,8%, а в облаках замечено присутствие метана, аммиака и во дяного пара. Верхний слой светлых облаков, где атмос ферное давление достигает 1 атм, имеет температуру -107 °С и состоит из кристалликов аммиака. Располо женный ниже слой облаков с примесями серы — крас ного цвета (рис. 9.2—9.4). Ниже всего находятся обла ка из водяного пара, которые образуются на глубине 80 км от верхних светлых облаков. Температура и ат мосферное давление с глубиной постепенно растут. Недавно появились гипотезы о возможности су ществования жизни в облаках Юпитера, ведь его ат мосфера имеет все компоненты, которые были необ ходимы для появления жизни на Земле. Некоторые слои облаков теплые и относительно комфортные для существования даже земных микроорганизмов. Рис. 9.3. Полосы облаков в атмосфере. Из недр Юпитера поступает поток энергии, который вы зывает конвекцию — теплые слои воздуха под нимаются вверх, а холодные — опускаются вниз. Сильные горизонтальные ветры возникают из-за суточных перепадов температуры между ночным и дневным полушариями планеты Рис. 9.4. Большое Красное Пятно, которое находится в южном полушарии Юпитера и по размерам почти вдвое больше, чем Земля, является огромным вихрем в атмо сфере, в котором ветер дует с ураганной скоростью до 100 м/с (фото АМС «Вояд жер», США). Почему этот вихрь, который заметили еще 300 лет назад, существует до настоящего времени, остается загадкой Для любознательных На глубине 20000 км водород переходит в металлическое состояние, и его физические свойства напоминают расплавленный металл, который хорошо про- Рис. 9.2. Строение ат мосферы Юпитера по результатам исследова ний АМС «Галилей» (США). Уровень, где дав ление достигает 1 атм, считают своего рода «поверхностью» планеты
- 76. §9. ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ водит электрический ток. Такого агрегатного состояния водорода (плотность 4 г/см 3 при давлении 106 атм) на Земле не существует. Благодаря электрическому току, который генерируется в этой металлической оболочке, возникает мощное магнит ное поле, поэтому вокруг Юпитера образуются радиационные пояса, которые в 104 раза интенсивнее земных. Юпитер является мощным источником радиоизлу чения. В центре Юпитера существует твердое ядро, по химическому составу по добное планетам земной группы, которое может состоять из скальных пород. Сатурн Сатурн — самая удаленная планета, которую знали астрономы в древности,— названа в честь отца главного бога Юпитера. После изобретения телескопа обнаружили, что Сатурн является самой кра сивой планетой Солнечной системы, так как его сказочное кольцо завораживает как детей, так и взрослых (о природе кольца см. § 10). Сатурн не имеет того разнообразия красок, который на блюдается в атмосфере Юпитера, но структура ат мосфер этих планет очень похожа. Желтоватый цвет верхним слоям атмосферы Сатурна придают снежные облака из аммиака (рис. 9.5). На глуби не 300 км от верхних слоев облаков располагают ся облака воды, в которых при повышении тем пературы снег превращается в дождь. Средняя плотность Сатурна меньше, чем во ды, что свидетельствует о небольшом количестве тяжелых химических элементов в ядре планеты. Сатурн, как и Юпитер, имеет магнитное по ле, радиационные пояса и является источником радиоизлучения. Рис. 9.5. Верхние слои облаков получают энер гию как от Солнца, так и из глубин Сатурна. В результате взаимодей ствия этих потоков энергии возникают сильные ветры, направ ленные преимуществен но с запада на восток, скорость которых дости гает 400 м /с. Из-за ве тров образуются темные полосы облаков, кото рые располагаются па раллельно экватору. 76
- 77. §9. ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ Для любознательных Сатурн излучает в космос больше энергии, чем получает от Солнца. Астро номы недавно обнаружили дефицит гелия в атмосфере Сатурна по сравнению с ат мосферой Юпитера и предложили интересную гипотезу о возможном источнике его энергии. На Сатурне гелий не полностью растворяется в водороде. В водород ной атмосфере Сатурна он образует капли, которые конденсируются в атмо сфере как своеобразный туман и затем выпадают в виде дождя. Такие гелиевые осадки в верхних слоях атмосферы могут быть источником внутренней энергии, поскольку более плотный гелий (по сравнению с водородом) опускается ближе к центру. Потенциальная энергия капель гелия превращается в кинетическую, что приводит к повышению температуры в недрах. Со временем гелиевые дожди пре кратятся и температура на Сатурне снизится. Уран Планета названа в честь бога неба Урана и является истинно голубой, так как одну седьмую ее атмосферы составляет метан. Су ществует одна особенность, которая выделяет Уран среди всех пла нет Солнечной системы: его экватор наклонен к плоскости орбиты под углом 98°. Такой большой угол наклона приводит к уникальной в Солнечной системе смене времен года — полярные круги распо лагаются почти на экваторе, а тропики — у по люсов. Это означает, что Солнце освещает один из полюсов планеты почти 42 земных года, в то время как на другом полюсе столько же длится полярная ночь (рис. 9.6). Уран получает от Солн ца гораздо меньше энергии, чем Земля, и темпе ратура верхних слоев атмосферы не поднимается выше -215 °С. Астрономы долгое время наблюдали за Ура ном, но не обнаружили существенных измене ний цвета или образований в атмосфере. Только в 2007 г., когда Солнце освещало одновременно оба полушария Урана (рис. 9.6), в телескопы были замечены полосы облаков. Рис. 9.6. Ось вращения Урана лежит почти в плоскости орбиты, по этому там тропики со впадают с полярным кругом. Продолжитель ность сезонов на Уране 21 земной год. Осевое вращение Урана проис ходит в направлении, противоположном на правлению вращения других планет 77
- 78. §9. ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ Нептун Планета, которую назвали в честь бога подводного мира, на ходится на окраине Солнечной системы и имеет период обращения 164,8 земного года. Со времени своего открытия в 1846 г. Нептун сделал полный оборот вокруг Солнца только в 2011 г. Планета имеет сильный внутренний ис точник энергии и излучает в космос тепла поч ти втрое больше, чем получает от Солнца. Под облаками температура атмосферы по степенно повышается до +700 °С, поэтому вода там не может находиться в жидком состоянии. Более реальна гипотеза о водяных облаках с рас твором аммиака, плотность которых может пре восходить плотность жидкой воды в несколько раз (рис. 9.7). Скорость ветров в облаках достигает 500 м/с. Почему возникают сильные ветры на та кой холодной планете — это еще одна неразгадан ная тайна Нептуна. Рис. 9.7. На Нептуне обнаружен гигантский вихрь с диаметром бо лее 1000 км, который называется Большое Черное Пятно 78
- 79. §9. ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ ВЫВОДЫ По химическому составу планеты-гиганты напоминают звезды. У них нет твердой поверхности, и потому на эти планеты никогда не совершат по садку пилотируемые космические корабли. Под холодными облаками гиган ты имеют горячие недра, температура которых достигает десятков тысяч гра дусов. Одной из тайн остается источник внутренней энергии планет-гигантов, так как все они, за исключением Урана, излучают в космос больше энергии, чем получают от Солнца. Тесты 1. Какие планеты излучают в космос больше энергии, чем получают от Солнца? А. Все планеты-гиганты. Б. Юпитер, Сатурн, Нептун. В. Юпитер, Сатурн, Уран. Г. Уран. 2. Какие планеты вращаются вокруг оси в обратном направлении? А. Венера, Юпитер. Б. Все планеты-гиганты. В. Юпитер, Сатурн. Г. Уран, Венера. 3. На поверхности какой из этих планет наблюдается самая большая продол жительность дня? А. На Венере. Б. На Марсе. В. На Юпитере. Г. На Уране. Д. На Земле. 4. Сколько времени длится день на полюсах Урана? А. 21 земной год. Б. 17 ч 14 мин. В. 1 месяц. Г. 1 земной год. Д. 42 земных года. 5. Какие особенности у планет-гигантов? 6. Почему Юпитер можно считать очень похожим на звезду? 7. Что вызывает гелиевые дожди на Сатурне? 8. Чем обусловлена смена времен года на Уране? 9. Вычислите наименьшее и наибольшее расстояния между Землей и Юпите ром (см. прил. 3, 4). 10. С помощью подвижной карты звездного неба определите, в какое время планеты-гиганты восходят и заходят в день вашего рождения в текущем году. Диспуты на предложенные темы 11. Почему возникли гипотезы о возможной жизни в облаках Юпитера? Задания для наблюдений 12. С помощью астрономического календаря отыщите на небе Юпитер и Сатурн и определите, в каком созвездии наблюдаются эти планеты. 13. Какие планеты-гиганты видны сегодня в вечернее время? Ключевые понятия и термины: Большое Красное Пятно, Большое Черное Пятно, планеты-гиганты, слои обла ков, полосы облаков. 79
- 80. §10. Спутники планет Изучив этот параграф, мы узнаем: какие физические условия существуют на поверхности спутников планет; возможна ли жизнь на некоторых спутниках планет; почему вокруг планет существуют кольца. Спутники Марса Фобос (греч.— страх) и Деймос (греч.— ужас) названы в честь вечных спутников бога войны Марса. Эти космические тела по фор ме напоминают огромные картофелины: наибольший диаметр Фобоса — 28 км, а Деймоса — 16 км. На поверхности темного цвета есть множество кратеров (рис. 10.1). Космонавты на поверхности этих спутников вынуждены будут привязываться к кораблю, потому что маленькая сила тяжести доставит много хлопот при передвижении — толчок ноги может придать телу ско рость, достаточную для межпланетных полетов. Рис. 10.1. И Деймос, и Фобос имеют твердую поверхность, которая покрыта слоем черной пыли и «засеяна» крате рами. На Фобосе видны странные борозды, по хожие на пашню Для любознательных Существование спутников Марса предсказывал еще Кеплер, который ве рил в магическую силу цифр: Земля имеет 1 спутник, у Юпитера были известны в то время 4 спутника, поэтому вокруг расположенного посередине Марса долж ны обращаться 2 спутника. Затем эту идею развил Свифт, который в книге «Пу тешествие Гулливера» описал спутники Марса. Но только в 1877 г. А. Холл (США) открыл Фобос и Деймос. Периоды их обращений (7,7 ч и 30,3 ч) и расстояние до планеты оказались почти такими, как описал Свифт 150 лет назад. На самом деле никакой магии в этом странном предположении нет, потому что Свифт наверняка знал, что при помощи третьего закона Кеплера можно определить период обращения и расстояние спутника до Марса. 80
- 81. §10, СПУТНИКИ ПЛАНЕТ Спутники Юпитера Юпитер имеет, по меньшей мере, 63 спутника, которые были зарегистрированы до 2011 г., и ту склые кольца. Четыре крупнейших спутника — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто (рис. 10.2) открыл Гали лей при помощи своего первого телескопа, поэтому их называют Галилеевы спутники. Ио имеет наи большую геологическую активность среди всех тел Солнечной системы — там зарегистрировано 8 постоянно действую щих вулканов, из жерл которых выбрасываются раскаленные газы и магма (рис. 10.3). Ио привлекает внимание фантастической гам мой цветов — желтых, красных и коричневых, которые придают ему соединения серы, присутствующие в продуктах извержения вул- Рис. 10.2. Галилеевы спутники Юпитера: Ев ропа, Ганимед и Калли сто — покрыты снегом и льдом. Под ледовой корой может существо вать океан жидкой воды, в которой не исключена вероятность жизни канов. Поверхность Ио совсем ровная: жидкая магма при температуре +400 °С заполняет любые впадины. Три других Галилеевых спутника — Европа, Га нимед и Каллисто — очень похожи между собой: на их поверхности видно много снега и льда (рис. 10.4). На этих спутниках под ледяной корой может существо вать океан жидкой воды. Многочисленные кратеры сви детельствуют об интенсивной метеоритной бомбардиров ке в прошлом. При взрывах из кратеров вытекала вода, которая заполняла долины, поэтому на поверхности не видно участков с большими перепадами высоты. Прав да, в некоторых местах замечены загадочные образова ния, напоминающие желобки и гребни горных хребтов, что свидетельствует о возможной тектонической дея тельности в прошлом. Ганимед является самым круп ным спутником в Солнечной системе, который по раз мерам превосходит даже Меркурий. Для любознательных Рис. 10.3. На Ио много серы и действующих вулканов Рис. 10.4. Трещины в ле довом панцире Европы На поверхности Каллисто привлекает внимание серия концентрических гребней и гряды холмов, окружающих два больших участка, названные бассейнами. 81
- 82. §10. СПУТНИКИ ПЛАНЕТ Гряды холмов очень похожи на рябь — волны, которые образует брошенный в во ду камень. Наверное, энергия, выделившаяся при падении гигантского метеорита, растопила лед, но при сильном морозе (-150°С) вода мгновенно замерзла. «Семья» Сатурна «Семья» Сатурна состоит из системы колец и 62 спутников, ко торые были открыты до 2011 г., но большинство из них имеют не большие размеры (рис. 10.5, 10.6). Самый крупный спутник Титан окружен густой азотной атмосферой, и его поверхность спрятана под облаками из метана. Несмотря на малую силу тяготения (1/7 земного) атмосферное давление на поверхности Титана составляет 1,6 атм, потому что масса столба воздуха над единицей поверхности в 10 раз больше, чем на Земле. Крупные спутники Сатурна Название Радиус, км Титан 2575 Рея 765 Япет 720 Диона 560 Тефия 525 Энцелад 251 Мимас 197 Янус 100 Рис. 10.5. Титан имеет густую азотную атмосфе ру с примесями метана. Возможно, там выпадают метановые дожди, а на поверхности существуют моря из жидкого метана Рис. 10.6. Спутники Сатурна Энцелад (слива) и Диона. Множество кратеров на ледяной поверхности свидетель ствуют, что там давно не происходила никакая тектоническая деятельность Для любознательных На поверхности Титана даже днем полумрак — сквозь 100-километровый слой тумана пробивается очень мало света, поэтому температура на поверхно сти -180°С. Именно такая низкая температура и обусловливает существование довольно плотной атмосферы, в то время как на Меркурии и на спутнике Юпи тера Ганимеде атмосфера практически отсутствует, хотя они имеют большую мас су. Фантасты утверждают, что на Титане даже может существовать жизнь, пото му что в атмосфере обнаружено много компонентов органических соединений. Кольца Сатурна Кольца Сатурна (рис. 10.7) впервые увидел Галилей в 1610 г., но с помощью небольшого телескопа он не смог распознать истинную суть наблюдения. Он обнаружил, что по бокам Сатурн имеет две шишки, которые сливаются, если смотреть на них с большого расстояния. Толь ко в 1659 г. датский астроном X. Гюйгенс доказал, что шишки пред-
- 83. §10. СПУТНИКИ ПЛАНЕТ ставляют собой тонкое плоское кольцо вокруг Сатурна. Во время наблюдений с поверхности Земли в большие телескопы видны три концентрических кольца, но с по мощью АМС было обнаружено, что эти кольца состоят еще из тысяч отдельных узких колец (рис. 10.8). Исследования показывают, что диаметр частиц в кольцах колеблется в пределах от миллиметра до де сятков метров и состоят эти маленькие спутники из снега и льда. Толщина колец очень мала по сравнению с их шириной, всего несколько десятков метров. Рис. 10.7. В зависимости от того, как сориентиро ван Сатурн относительно Земли, его кольца могут быть видны максималь но раскрытыми или, когда Земля находится в плоскости колец и они становятся невидимыми, мы их видим с ребра Рис. 10.8. На снимках АМС «Вояджер» видны тысячи концентриче ских колец Сатурна, ко торые удивительно пе реплетены между собой Для любознательных В 1848 г. французский астроном Рош доказал, что существует предел в рас стоянии до планеты, и спутники планет не могут к ней приближаться, потому что гравитационные силы разорвут их на части. Если средняя плотность спутника та кая же, как планеты, то этот предел Роша равен 2,4 радиуса планеты. Есть гипоте за: когда-то существовал спутник Сатурна, который вошел за предел Роша и был разорван приливными силами. Согласно другой гипотезе, кольца —- это остатки того строительного материала, из которого образовалась Солнечная система 5 млрд лет назад. Эту гипотезу подтверждают небольшие тусклые кольца вокруг других планет-гигантов. Спутники Урана Уран имеет темные кольца и 27 спутников, которые были за регистрированы до 2011 г. При помощи телескопов открыты только 5 крупных спутников: Ариэль, Умбриэлъ, Титания, Оберон и Миран да, а все остальные впервые сфотографированы в 1986 г. АМС «Во- яджер-2». Спутники повернуты к Урану одним полушарием, а их орбиты лежат в плоскости экватора, вследствие чего на всех спутни ках происходит такая же странная смена времен года, как и на Ура не (см. § 9). 83
- 84. §10. СПУТНИКИ ПЛАНЕТ Рис. 10.9. На поверхно сти Миранды видны странные овраги и до лины, напоминающие трековые дорожки на стадионах Большие спутники состоят изо льда и скали стых пород. Миранда (рис. 10.9) является наиболее интересным спутником, на котором видны террито рии с долинами, пропастями и грядами гор. Это все свидетельствует о периодах катастроф в его геологи ческой истории, когда несколько раз неизвестные космические факторы меняли поверхность спутни ка. Титания и Оберон (рис. 10.10) имеют множество кратеров. Серый цвет поверхности свидетельствует о том, что снег на ней грязный. Рис. 10.10. Оберон (сле ва), Титания (справа) Спутники Нептуна В наше время (2011 г.) известно 13 спутников Нептуна и выяв лены тонкие тусклые кольца. При помощи телескопов было откры то 2 спутника — Тритон и Нереида, а другие сфотографировала АМС «Вояджер-2» в 1989 г. Самый крупный спутник Не птуна Тритон (радиус — 1380 км) имеет несколько загадочных образований. Светлая поверхность Три тона поглощает мало солнечной энергии, поэтому температура там не поднимается выше -236 °С. Это самая низкая дневная температура, которую заре гистрировали на спутниках планет Солнечной си стемы. Поверхность Тритона твердая (рис. 10.11). Тритон — единственный большой спутник среди тел Солнечной системы, который движется вокруг планеты в обратном направлении по сравне нию с вращением Нептуна вокруг оси. Это сви детельствует о том, что Тритон, возможно, был когда-то захвачен гравитационным полем Нептуна и теперь по спирали приближается к планете. Ког да расстояние между Нептуном и Тритоном умень шится до 65000 км (предел Роша), приливные си лы разрушат спутник, и вокруг Нептуна образуется огромное кольцо, подобное кольцам Сатурна. Рис. 10.11. Южный по люс Тритона. Поверх ность покрыта льдом и снегом, а в полярной шапке, возможно, при сутствует замерзший азот Тритон Радиус 1380 км Масса 2,15 •10 22 кг Температура -236 °С 84
- 85. §10. СПУТНИКИ ПЛАНЕТ Выводы. Спутники планет Солнечной системы имеют различные физические ха рактеристики. Поверхность большинства спутников покрыта снегом и льдом, а на спутниках Юпитера Европе, Ганимеде и Каллисто, возможно, существуют океаны жидкой воды. Крупнейший спутник Сатурна Титан окружен плотной атмосферой, и на его поверхности могут быть океаны метана. В метановых морях при низких температурах органические соединения могли бы образовать формы жизни, ко торые не похожи на земные, так как там вместо воды растворителем мог бы слу жить жидкий метан. Спутники планет в будущем могут стать космическими базами для освоения Солнечной системы. Тесты 1. Почему иногда кольца Сатурна исчезают? А. Испаряются. Б. Прячутся за Сатурн. В. Закрываются другими планетами. Г. Плоскость кольца совпадает с лучом зрения наблюдателя. Д. Закрываются облаками. 2. Какой из больших спутников движется вокруг планеты в обратном направ лении? А. Европа. Б. Ио. В. Каллисто. Г. Ганимед. Д. Тритон. 3. На поверхности каких спутников может существовать жизнь? А. На Фобосе. Б. На Ио. В. На Ганимеде. Г. На Европе. Д. На Титане. 4. Какой из спутников имеет густую азотную атмосферу с примесями метана? А. Фобос. Б. Европа. В. Титан. Г. Оберон. Д. Тритон. 5. На каких спутниках обнаружены действующие вулканы? А. На Луне. Б. На Деймосе. В. На Ио. Г. На Тритоне. Д. На Хароне. 6. Чем объясняется удивительная окраска Ио? 7. О чем свидетельствуют многочисленные кратеры на спутниках Юпитера? 8. Какие спутники планет имеют атмосферу? 9. Что объясняет наличие плотной атмосферы на Титане? 10. Определите свой вес на поверхности одного из спутников планет, радиусы которых приведены в этом параграфе, если его плотность 2 г/см 3 . 11. На поверхности какого спутника ваш вес будет самым большим? Диспуты на предложенные темы 12. Поверхность каких спутников можно использовать для построения косми ческих поселений? Задания для наблюдений 13. С помощью бинокля или школьного телескопа можно наблюдать Галилеевы спутники Юпитера. Определите моменты затмения одного из этих спутни ков — когда он исчезает за диском Юпитера. Ключевые понятия и термины: - Галилеевы спутники, кольца вокруг планет, предел Роила.
- 86. Изучив этот параграф, мы узнаем: о загадочном поясе астероидов; об опасных астероидах, которые могут столкнуться с Землей; чем отличаются метеоры и метеориты; о светилах со странными «хвостами» — кометах; когда в Солнечной системе появились планеты-карлики. Астероиды Первый астероид (от греч.— звездообразный) открыл итальян ский астроном Д. Пиацци (1746—1826). В ночь на 1 января 1801 г. он увидел слабую звезду, которая на следующий вечер немного пере местилась. Новой планете дали название Церера (по римской мифологии — богиня земледелия). За Цере рой стали внимательно наблюдать — она оказалась не большой, даже меньше Луны, и обращалась вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Каково же было удивление астрономов, когда через несколько лет недалеко от Цереры обнаружили еще одну малую пла нету — ее назвали Палладой (одним из имен богини мудрости Афины). Затем были открыты еще две — Юнона и Веста. Потом доказали, что первый откры тый астероид является и самым большим — диаметр Цереры равен 960 км. В 2006 г. Цереру отнесли к классу планет-карликов (см. 11.7). На январь 2011 г. зарегистрировано более 500000 астероидов (рис. 11.1, 11.2), и меньшие из них имеют диаметр всего несколь ко десятков метров. В телескопы диски этих тел раз личить невозможно — они имеют вид светлых точек. Суммарная мас са всех астероидов не превышает 0,1 массы Луны. Крупнейшие астероиды Номер и название 1 Церера 2 Паллада 3 Веста 10 Гигия 31 Ефросиния 52 Европа 65 Кибела 451 Пациенция 511 Давида 704 Интерамния Диа метр, км 960 608 555 450 370 289 309 276 323 350 Рис. 11.1. Астероид 433 Эрос имеет вид гигант ского седла длиной 33 км. АМС, совершив посадку на поверхность астероида в котловине вблизи центра, обнару жила, что его серая по верхность покрыта сло ем реголита и похожа на поверхность Луны 86
- 87. § 1 1 . МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Некоторые астероиды, названия которых связаны с Украиной Номер 1709 1855 2164 2171 2325 2427 2428 2606 2616 2728 2883 3084 Название Украина Королев Ляля Киев Черных Кобзарь Каменяр Одесса Леся Яцкив Барабашов Кондратюк Астероидам присваивают порядковый номер и на звание, которое предлагает автор открытия. Сначала по традиции астероидам давали название в честь мифоло гических богинь, но со временем число открытых ма лых планет превзошло все «божественное» население Олимпа, поэтому сейчас новые космические тела назы вают в честь стран, городов, выдающихся ученых, по этов и деятелей искусства. Большое количество малых планет открыл в Крымской астрофизической обсерва тории астроном Н. С. Черных (1931—2006). Тайны астероидов Почему между Марсом и Юпитером находится не одна большая планета, а множество малых тел? Для объяснения этой загадки немецкий астроном Г. Оль- берс (1758—1840) выдвинул гипотезу, что между Марсом и Юпитером некогда существовала планета Фаэтон, которая почему-то взорвалась. Причиной ка тастрофы могла быть встреча планеты с другим кос мическим телом. В пользу теории взрыва планеты сви детельствует то, что большинство астероидов имеют вид осколков неправильной формы. Современные ис следования распределения орбит малых планет пока зывают, что, скорее всего, между Марсом и Юпитером большой планеты никогда не было, а пояс астерои дов — это остатки того вещества, из которого 4,5 млрд лет назад образовались планеты Солнечной системы. За орбитой Нептуна находится кольцо мелких планетоподоб- ных тел (так называемый пояс Койпера; см. § 11.7), которые из-за гравитационных возмущений могут изменять параметры своих ор бит. Столкновение с другой планетой или спутником вызовет разру шение этих тел и образование отдельных фрагментов, которые будут обращаться по самостоятельным орбитам. Если учесть, что вероят ность встречи осколков возрастает с увеличением их количества, то пояс астероидов может быть своеобразной машиной для дробления космических тел на меньшие фрагменты. Для любознательных Рис. 11.2. Астероид 243 Ида О том, что малые планеты продолжают делиться, свидетельствует откры тие так называемых семейств или групп астероидов. В 1918 г. японский астро ном К. Хираяма обратил внимание на некоторые группы астероидов, имеющих сходные параметры орбит. Такие группы астероидов назвали семействами Хира- ямы — они могли образоваться после столкновения более крупных тел. Астеро иды движутся вокруг Солнца в ту же сторону, что и планеты, и имеют, как пра вило, эллиптические орбиты. 87
- 88. § 1 1 . МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Опасные астероиды Наибольшее внимание астрономов- привлекают астероиды груп пы Аполлона, Амура и Атона, так как в перигелии они приближа ются к Земле или даже пересекают ее орбиту. Например, в 1932 г. астероид 1862 Аполлон (диаметр 3 км) пролетел мимо Земли на рас стоянии 0,028 а. е. Еще ближе от Земли в 1994 г. пролетел астеро ид 1994 ХМИ — от катастрофы нас отделяло всего 112000 км в про странстве и 1 час времени. Хотя вероятность встречи с отдельным астеро идом достаточно мала, но, учитывая их большое ко личество и глобальные последствия столкновения, степень риска погибнуть от космической катастрофы оказалась такой же, как от обычного наводнения или авиакатастрофы. По современным данным, существу ют около 2000 астероидов с диаметром более 1 км и несколько сотен тысяч с диаметром более 100 м, Степень риска — это произведение вероят ности космической катастрофы на коли чество возможных человеческих жертв В 2004 г. открыли 320-метровый опас ный астероид Апофис, который 13 апреля 2029 пролетит мимо Земли на расстоянии около 37000 км Рис. 11.3. Орбиты неко торых астероидов, пере секающих орбиту Земли пересекающих орбиту Земли (рис. 11.3). При встрече Земли с асте роидом диаметром 1 км выделится энергия, эквивалентная взрыву миллионов атомных бомб. Кроме того, выброс пыли в атмосферу при ведет к образованию сплошной облачности, поэтому поверхность Зем ли будет получать меньше солнечной энергии. Снижение температу ры может дать начало новому ледниковому периоду (см. § 7). Для спасения нашей цивилизации создан международный Фонд «Космическая стража», разработана программа поисков опасных асте роидов, комет и вычисления их орбит. Значительный вклад в эти ис следования сделали украинские астрономы: В. Кручиненко, К. Чурю- мов (Киев), М. Черных (Крым), Д. Лупишко (Харьков). Для любознательных В будущем технические возможности человечества позволят избежать ве роятной катастрофы от встречи с астероидами, если можно будет как-то изменять параметры их орбит. Исследования астероида Эроса (рис. 11.1) показывают, что даже небольшие космические тела, состоящие из отдельных фрагментов, при взры ве могут разлететься на отдельные осколки, орбиты которых рассчитать заранее невозможно.
- 89. §11. МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Метеоры и метеориты Названия метеор и метеорит в переводе с гре ческого означает «тот, что находится в воздухе». Астро номы когда-то считали, что падающие звезды — чисто атмосферное явление, что-то вроде обычной молнии. Метеорные частицы — это космическая пыль, кото рая никогда не долетает до поверхности Земли, пото му что она сгорает и испаряется в атмосфере на высо те нескольких десятков километров. То есть метеором, или падающей звездой, мы называем световое явле ние, которое вызывает ионизацию воздуха на пути полета метеорной частицы, так как саму микроско пическую пылинку заметить невозможно. Метеори ты имеют большую массу, поэтому они могут достичь поверхности Земли (рис. 11.4). Когда метеоритное те ло с большой скоростью летит в атмосфере, то из-за сопротивления воздуха оно нагревается до температуры выше 10000°С и начинает светиться, как раскален ный шар, который называют болидом (греч.— копье). Во время полета болида со сверхзвуковой скоростью в атмосфере возникает ударная волна, которая созда ет мощные звуковые колебания, поэтому человек слышит сильный грохот. Метеоритное тело — это фрагмент астероида, который, обращаясь вокруг Солнца, сталкивается с на шей планетой. То есть метеориты имеют астероидное происхождение. Скорость, с которой метеор или мете орит влетает в земную атмосферу, зависит от направления его движе ния относительно вектора скорости Земли. Наибольшую скорость вхождения в атмосферу (50—70 км/с) имеют те метеоритные тела, ко торые летят навстречу движению Земли, тогда скорости болида и Зем ли складываются. Скорость метеора и метеоритного тела при вхожде нии в атмосферу Земли не может быть меньше 11,2 км/с, так как даже когда астероидное тело «догоняет» нашу планету, то из-за зем ного притяжения его скорость начинает возрастать. Сейчас за счет ме теоритного вещества масса Земли увеличивается на 500000 т в год. Рис. 11.4. Метеорит, най денный в Антарктике Метеор — световое явление, возникаю щее в ионизирован ном воздухе на пути полета маленьких ме теорных частиц Болид — световое явление, которое со провождает полет метеоритного тела в атмосфере 89 Рис. 11.5. Аризонский кратер (США) образо вался 10000 лет назад. Его диаметр 1,2 км, глу бина 200 м. Осколки метеорита находят на расстоянии 30 км от кратера
- 90. §11. МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ На Земле астрономы и геологи обнаружили более сотни мете оритных кратеров различного диаметра (рис. 11.5), которые называют астроблемами (от греч.— звездные раны), но большинство кратеров не сохранились, так как на протяжении веков атмосферные про цессы уничтожали следы космических катаклизмов. Большую коль цевую структуру метеоритного происхрждения диаметром 7 км об наружили в Украине в Ильинецком районе Винницкой области. Геологические исследования показывают, что начальная масса мете орита была не менее кг. Для любознательных На территорию Украины ежегодно падают несколько метеоритов массой 1 кг и более, поэтому астрономы обращаются ко всем ученикам с просьбой помочь в поисках этих космических путешественников. Обратите внимание на падение болидов, летящих со сверхзвуковой скоростью. При этом возникает рез кий взрывной звук, как при полете реактивного самолета, когда он пересекает звуковой барьер. Ночью во время полета болида видно яркое свечение в виде раскаленного шара, который может разделиться на осколки. Для поисков мете орита определите направление, в котором летел болид, запишите время, когда наблюдалось это явление, и сразу сообщите об этом учителю астрономии или напишите в ближайшую астрономическую обсерваторию. Загадка Тунгусского метеорита Самым крупным метеоритом XX в. можно считать Тунгусский, упавший 30 июня 1908 г. в тайге у реки Подкаменная Тунгуска (при ток Енисея) в Сибири. Его полет в атмосфере наблюдали по трассе длиной почти 5000 км. Яркость болида была настоль ко велика, что казалось, будто от Солнца отделился кусок и летит по небу. При падении произошел силь нейший взрыв, который был слышен на расстоянии 2000 км от места падения. Сейсмические станции за регистрировали землетрясение, а сейсмические волны дважды обогнули Землю. Расчеты показали, что при падении метеорита выделилась энергия 10 17 Дж — такую энергию выде ляет взрыв самых мощных водородных бомб. В 1926 г. Академия наук Украины организовала первую экс педицию в район падения Тунгусского метеорита. Ее возглавил про фессор Л. Кулик. Интересная тайна, которую 'обнаружила экспеди ция,— отсутствие кратера и осколков на месте падения метеорита. Ученые выдвинули гипотезу, что метеорит мог взорваться в возду хе. Об этом свидетельствуют стволы поваленных деревьев на месте катастрофы (рис. 11.6). Площадь поваленного и сожженного леса за нимает около 5000 км 2 , но в эпицентре воздушного взрыва, где удар ная волна распространялась перпендикулярно к поверхности Земли, стволы деревьев не были повалены. 90 Рис. 11.6. Поваленный лес на месте падения Тунгусского метеорита
- 91. § 1 1 . МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Для любознательных Остается тайной, куда делись осколки Тунгусского метеорита при взрыве. Наи более вероятным объяснением этих аномальных явлений может быть гипотеза о том, что метеорит был ледяным ядром небольшой кометы (см. п. 11.6), вспыхнувшим в ат мосфере Земли. Газовые компоненты ядра испарились, а твердые силикатные ча стицы расплавились и выпали на поверхность в виде микроскопических частиц. Кометы Кометы (от греч.— мохнатый) своим необычным видом привле кают наибольшее внимание людей, ибо они имеют необычный краси вый хвост. Кометы являются остатками космического вещества, из ко торого образовались планеты Солнечной системы. По традиции комете дают название в честь тех астрономов, которые первыми увидели ее на небе (рис. 11.7, 11.8). Часто кометы открывали любители астрономии и даже школьники. В честь украинских астрономов названы кометы Герасименко, Неуймина, Скоритченко, Черных, Чурюмова, Шайна. Самой знаменитой кометой можно считать коме ту Галлея, которую наблюдают уже несколько тыся челетий. Директор Гринвичской обсерватории Э. Гал- лей (1656—1742) впервые определил орбиту кометы, которую было видно в 1682 г. Для этого он изучил древние летописи и обратил внимание на то, что одна из комет появлялась на небе с постоянным периодом 76 лет. С помощью третьего закона Кеплера Галлей определил большую полуось орбиты и предсказал ее появление в 1758 г. Последний раз комету Галлея на блюдали в 1986 г., а следующий ее прилет к Земле ожидается в 2061 г. Долгое время загадкой для астрономов был длин ный хвост кометы, который иногда простирается на миллионы или сотни миллионов километров, причем Рис. 11.7. Комета Галлея Рис. 11.8. Комета Хейла-Боппа Рис. 11.9. Движение кометы вокруг Солнца. Под действием сол нечного ветра хвост кометы отталкивается в противоположном от Солнца направлении 91
- 92. § 1 1 . МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ направление хвоста изменяется таким образом, что он все время отклоняется в противоположную от Солн ца сторону. Кажется, что хвост к Солнцу не притя гивается, а, наоборот, отталкивается, будто бы от Солн ца дует своеобразный ветер. Конечно, хвост кометы притягивается к Солнцу, но для частиц с диаметром менее чем 10—5 м сила отталкивания становится боль ше силы притяжения. Именно хвост комет и состоит из микроскопических частиц космической пыли, на которые действует отталкивающая сила солнечного ветра (рис. 11.9). Ядро кометы, из которого образуется хвост, со стоит в основном изо льда. Впервые оно было сфото графировано советской АМС «Вега» в 1986 г. (рис. 11.10). Диаметр таких ледяных ядер может быть все го несколько десятков километров, поэтому на боль шом расстоянии от Земли они не видны. Лед в ядрах комет, которые часто приближаются к Солнцу, со вре менем полностью испаряется. От кометы остаются твердые силикатные пылинки, которые продолжают движение по орбите и превращаются в метеорные потоки. Когда Земля пересекает орбиту такого ме теорного потока, наблюдается звездный дождь, в это время на небе можно увидеть тысячи метеоров. Датский астроном Я. Оорт выдвинул гипотезу, что за орбитой Нептуна могут быть миллионы таких кометных ядер (облако Оорта), но из них только не большое количество подходит в перигелии близко к Солнцу. Под вли янием гравитационного возмущения больших планет кометы могут изменить свою орбиту и даже столкнуться с ними. Такой катастро фой мог быть взрыв Тунгусского метеорита (см. п. 11.5). В 1994 г. комета Шумейкера-Леви упала на Юпитер. Во время этого столкно вения выделилась энергия, равная взрыву миллионов ядерных бомб. Рис. 11.10. Ядро кометы Галлея на расстоянии нескольких тысяч кило метров. Длина очень темного ядра 15 км, ши рина — 8 км. Из отвер стий, находящихся на поверхности, вырывают ся струи газа Солнечный ветер состоит из элемен тарных частиц и от дельных ядер легких химических элемен тов, летящих от Солнца Для любознательных Можно ли использовать астероиды и кометы для нужд нашей цивили зации? Возможно, что в будущем астероиды можно приспособить под базы для межпланетных экспедиций. Некоторые астероиды, возможно, содержат редкие химические элементы, которые можно было бы применять при сооружении кос мических поселений как в космосе, так и на поверхности спутников планет. Во время космического строительства надо помнить, что ускорение свободного падения на астероидах очень мало, поэтому один неосторожный толчок ногой может придать космонавту вторую космическую скорость. Температура на по верхности астероидов зависит от цвета поверхности и расстояния до Солнца. В главном поясе астероидов, на расстоянии 2,8 а. е. от Солнца, температура на 92
- 93. §11. МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ дневной стороне редко поднимается выше 0°С, но астероиды группы Аполло на, Амура и Атона, движущиеся по очень вытянутым орбитам, в перигелии мо гут нагреваться до +500 °С. Планеты-карлики Впервые этот новый класс тел Солнечной системы выделили в августе 2006 г. на съезде Международного Астрономического Со юза (MAC) в Праге. Тогда же был изменен статус Плутона, кото рый до этого был девятой планетой Солнечной системы: отныне он стал первой планетой-карликом. После открытия Нептуна в 1846 г. (см. § 4) почти целый век астрономы искали де вятую планету, которая могла вызвать небольшие возмущения орбиты Урана, потому что гравита ционным воздействием Нептуна можно объяснить только 98% возмущений орбиты этой планеты. Только 18 февраля 1930 г. в Ловеллской об серватории (США) К. Томбо открыл неизвестную планету, которая получила название Плутон в честь мифического бога подземного царства. В 1978 г. астрономы обратили внимание на то, что на фотографии Плутона видно небольшое выпячивание на его диске. Продолжая наблю дения, ученые пришли к выводу, что у Плутона есть спутник, и назвали его Харон. Он обращает ся вокруг планеты с периодом 6,4 суток. В 2006 г. при помощи Космического телескопа Хаббла были открыты еще два небольших спутника Плутона 93 Рис. 11.11. Плутон, Харон, Эрида
- 94. §11. МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Нике и Гидра. В связи с тем, что Плутон имеет очень вытянутую орбиту с большим, по сравнению с другими планетами, эксцентри ситетом (е = 0,25) и по массе и размерам намного меньше других планет Солнечной системы, некоторые астрономы считают, что Плу тон был когда-то спутником Нептуна. Ведь Юпитер, Сатурн, Нептун и Земля имеют спутники гораздо больших размеров, чем Плутон. Статус Плутона как планеты со временем становился подозрительным еще и потому, что его орбита наклонена под значительным углом к плоскости эклиптики по сравнению с любой планетой Солнечной системы и немного напоминает орбиты комет. В 1951 г., анализируя орбиты комет, астроном Дж. Койпер предсказал существование за Нептуном пояса астероидов, который теперь официально назвали поясом Койпера. Астрономические на блюдения при помощи современных телескопов подтвердили эту ги потезу в 1990 г., когда за Плутоном начали открывать новые объек ты пояса Койпера. С научной точки зрения стало очевидным, что Плутон больше похож на эти объекты, чем на остальные 8 планет Солнечной системы. В июле 2005 г. был открыт новый объект пояса Койпера, кото рый оказался больше Плутона, поэтому некоторые астрономы стали называть его десятой планетой. Новую планету неофициально прозва ли Ксеной (с греч.— чужая). Это открытие стало роковым ударом для статус-кво девяти планет, потому что если Плутон считают планетой, то Ксена тоже должна относиться к классу планет. Поэтому перед астрономами встали вопросы, что делать с другими объектами пояса Койпера, которые поменьше, чем Плутон, ведь в будущем на окраи нах Солнечной системы могут открыть еще большие тела. К началу 2011 г. зарегистрировали более 1000 астероидов, ор биты которых располагаются за орбитой Нептуна в пределах пояса Койпера. Для решения этой проблемы в Международном Астрономи ческом Союзе был создан специальный комитет, который предложил модифицировать определение планеты, добавив, что планета должна быть не только круглой формы, но должна также быть единым те лом на своей орбите. По этому определению Плутон утратил статус планеты, поскольку он является одним из многих объектов пояса Кой пера, и к тому же его орбита фактически пересекается с орбитой Не птуна. В 2006 г. Плутон был обозначен астероидным номером 134340; официальное название и номер получил и объект с условным назва нием Ксена. Ему присвоили номер 136199 и название Эрида. На декабрь 2010 г. зарегистрировано 3 планеты-карлика: Це рера, Плутон, Эрида. Выводы Малые тела Солнечной системы (планеты-карлики, астероиды, кометы, ме теорные тела) являются остатками того огромного облака космического вещества,
- 95. §11. МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ из которого образовались Солнце и большие планеты. Основной пояс астерои дов находится между Марсом и Юпитером, но за орбитой Нептуна существу ют еще миллионы планетоподобных тел (пояс Койпера) и миллионы кометных ядер (облако Оорта). Астероиды, возможно, станут базами для исследования кос моса, а металлические астероиды можно использовать как источник добычи по лезных ископаемых. Существует опасность встречи Земли с теми астероидами, орбиты которых приближаются к Земле или пересекают ее орбиту. Тесты 1. Метеором называется явление, когда: А. Звезды падают на Землю. Б. Камень падает на Землю. В. Пылинки сгорают в воздухе. Г. Молнии наблюдаются в воздухе. Д. Пыль выбрасывается в атмо сферу. 2. Из чего состоит ядро кометы? А. Изо льда и пыли. Б. Из железа. В. Из камней. Г. Из раскаленных газов. Д. Из водяного пара. 3. С какой наименьшей скоростью метеориты влетают в атмосферу Земли? А. 1 м/с. Б. 1 км/с. В. 11,2 км/с. Г. 22,2 км/с. Д. 70 км/с. Е. 100 км/с. 4. С какой наибольшей скоростью метеорит может влететь в атмосферу Земли? А. 1 м/с. Б. 1 км/с. В. 11,2 км/с. Г. 22,2 км/с. Д. 70 км/с. Е. 100 км/с. 5. Тунгусский метеорит называют загадочным потому, что: А. Метеорит был космическим кораблем марсиан. Б. На месте падения не выявлено метеоритного кратера. В. В атмосфере произошла вспышка, напо минавшая взрыв ядерной бомбы. Г. Метеорит был глыбой льда. Д. После па дения метеорита над Европой наблюдалось загадочное сияние в атмосфере и ночью не было видно звезд. 6. Почему большинство астероидов имеют неправильную форму? 7. Почему метеориты могут достигать поверхности Земли? 8. Какое семейство астероидов может вызвать угрозу для Земли? 9. Чем отличается метеор от метеорита? 10. Хвост кометы обычно притягивается к Солнцу или отталкивается от него? 11. Почему комета может изменить свою орбиту? 12. Какой самый большой метеоритный кратер обнаружили на территории Украины? 13. Вычислите свой вес на астероиде 1709 Украина, который имеет диаметр 20 км. Плотность астероида 3 г/см 3 . Диспуты на предложенные темы 14. Каково ваше мнение относительно практического использования астерои дов как источника полезных ископаемых? Задания для наблюдений . 15. Посчитайте количество метеоров, пролетающих по небосводу в течение 30 мин. Ключевые понятия и термины: = Астроблема, астероид, болид, комета, метеор, метеорит, пояс астероидов, пояс Койпера, степень риска, хвост кометы, облако Оорта, ядро кометы. 95
- 96. Изучив этот параграф, мы узнаем: почему светит Солнце; о природе солнечных пятен и их влиянии на биосферу Земли; как в домашних условиях можно использовать солнечную энергию. Физические характеристики Солнца Солнце — одна из миллиардов звезд нашей Галактики, цен тральное светило в Солнечной системе, возраст которого около 5 млрд лет. Оно дает Земле тепло и свет, тем самым поддерживая жизнь на нашей планете. Солнце находится на близ ком расстоянии от Земли — всего 150 млн км, поэ тому мы видим его в форме диска. Изучение Солн ца имеет очень важное практическое значение для развития земной цивилизации. Температура Солнца измеряется при помощи законов излучения черного тела (см. § 6). Солнце излучает электромагнитные волны различной дли ны, которые нашим глазом воспринимаются как бе лый свет. На самом деле белый свет состоит из це лого спектра электромагнитных волн от красного цвета до фиолетового, но Солнце излучает больше всего энергии в желто-зеленой части спектра, по этому астрономы называют Солнце желтой звездой. Температура на поверхности Солнца 5780 К. Светимость Солнца определяет мощность его излучения, то есть количество энергии, которую из лучает поверхность Солнца во всех направлениях за единицу времени. Для определения светимости Солн ца надо измерить солнечную постоянную q — энер гию, которую получает 1 м 2 пбверхности Земли за 1 с при условии, что Солнце находится в зените. Для определения светимости Солнца необходимо величину солнечной постоянной умножить на площадь сферы с радиусом R: Солнечная постоян ная q — энергия, ко торую получает 1 м 2 поверхности Земли за 1 с, если солнеч ные лучи падают перпендикулярно к поверхности. По современным данным на границе верхних слоев атмосферы Земли величина сол нечной постоянной q=1,4кВт/м 2 где R=l,5 •1011 м — расстояние от Земли до Солнца. 96
- 97. §12. СОЛНЦЕ — НАША ЗВЕЗДА Строение Солнца Солнце — огромный раскаленный плазменный шар, имеющий сложное строение внешних и внутренних слоев. В результате физических процессов, протекающих в недрах Солнца, непрерывно выделяется энергия, которая передается внеш ним слоям и распределяется на все большую площадь. Вследствие этого по мере приближения к поверхности температура солнечной плазмы постепенно снижается. В зависимости от температуры и ха рактера процессов, определяемых этой температурой, Солнце услов но разделяют на следующие области с различным физическим состо янием вещества и распределением энергии: ядро, зона радиации, конвективная зона и атмосфера (рис. 12.1). Рис. 12.1. Внутреннее строение Солнца Центральная область (ядро) занимает отно сительно небольшой объем, но благодаря большой плотности ядра, которая увеличивается к центру, там сосредоточена значительная часть массы Солнца. Огромное давление и сверхвысокая температура обе спечивают протекание термоядерных реакций, кото рые являются основным источником энергии Солнца. Радиус ядра составляет примерно 1/3 В зоне лучистого равновесия, или зоне радиа ции, окружающей ядро на расстоянии до 2/3 , энер гия распространяется путем последовательного по глощения и последующего переизлучения веществом квантов электромагнитной энергии. В конвективной зоне (от верхнего слоя зоны ра диации, почти до самой видимой границы Солнца — Ядро — центральные области Солнца, где протекают термо ядерные реакции. Зона радиации — зона, где энергия переносится путем переизлучения от дельных квантов. Конвективная зо на — зона, где осу ществляется переда ча энергии путем перемешивания — более горячие ячей ки всплывают вверх, а холодные опуска ются вниз
- 98. §12. СОЛНЦЕ — НАША ЗВЕЗДА Рис. 12.2. Фотосфера — это самый глубокий слой атмосферы Солнца, кото рый излучает свет Рис. 12.3. Гранулы в фотосфере имеют диаметр 1000 км — это проявление конвекции Рис. 12.4. Спектр Солн ца. Темные линии по глощения образуются в хромосфере фотосферы) энергия передается уже не излучением, а за счет конвекции, то есть путем перемешивания вещества, когда образуются своеобразные отдельные ячейки, которые немного различаются температурой и плотностью. Атмосферой считаются внешние слои Солнца, условно разделенные на три оболочки. Глубокий слой атмосферы Солнца, состоящий из газов,— фотосфера (от греч.— сфера света), 200—300 км толщиной, вос принимается нами как поверхность Солнца (рис. 12.2). Плотность газов в фотосфере в миллионы раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли, а температу ра фотосферы уменьшается с высотой. Средний слой фотосферы, излучение которого мы воспринимаем, имеет температуру 5780 К. В солнечный телескоп можно наблюдать струк туру фотосферы, в которой конвекционные ячей ки имеют вид светлых и темных зерен — гранул (рис. 12.3). Над фотосферой находится хромосфера (от греч.— цветная сфера), где атомами различных веществ образуются темные линии поглощения в спек тре Солнца (рис. 12.4). Общая толщина хромосфе ры составляет 10—15 тыс. км, а температура в ее верхних слоях достигает 100000 К. Над хромосферой находится внешний слой ат мосферы Солнца — солнечная корона, температура которой достигает нескольких миллионов градусов. Ве щество короны, которое постоянно вытекает в межпла нетное пространство, называется солнечным ветром. Для любознательных Если сравнить светимость Солнца с его массой, то мы получим, что 1 кг солнечного вещества генерирует мизерную мощность 0,001 Вт, в то время как средняя мощность излучения человеческого тела равна примерно 100 Вт, то есть в тысячу раз больше мощности такой же массы солнечного вещества. Правда, Солнце светит на протяжении миллиардов лет, излучая почти одну и ту же энер гию, надежно обогревая Землю и другие тела Солнечной системы. 98
- 99. §12. СОЛНЦЕ — НАША ЗВЕЗДА Солнечная активность Солнечная активность определяется количеством пятен и их об щей площадью. Исследования показали, что температура внутри пят на достаточно высокая и достигает 4500 К, но пятно кажется темным на фоне более горячей фотосферы с температурой 5780 К (рис. 12.5, 12.6). Возникает вопрос: что снижает температуру внутри пятна? Пят на на Солнце могут существовать в течение нескольких месяцев, по этому возникла гипотеза, что какой-то процесс тормозит конвекцию плазмы в солнечном пятне и поддерживает разницу температур. Сей час доказано, что таким «изолятором» является сильное магнитное поле, которое, взаимодействуя с электрически заряженными частица ми плазмы, тормозит конвекционные процессы внутри пятна. Еще одна загадка активности Солнца связана с ее периодич ностью — цикл изменения количества пятен повторяется примерно через каждые 11 лет (рис. 12.7). Рис. 12.5. Солнечное пятно Рис. 12.6. Соединение пятен Рис. 12.7. Изменение солнечной активности 1700 1720 1740 1760 1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 200С Для любознательных Пятна связаны между собой магнитными силовыми линиями подобно по люсам магнита — каждое пятно имеет свою полярность. Так же, как невозможно разделить северный и южный полюса магнита, так и солнечные пятна существуют только парами, которые имеют различные магнитные полярности. Если учесть по лярность пятен, то цикл солнечной активности длится примерно 22 года. 99
- 100. §12. СОЛНЦЕ — НАША ЗВЕЗДА Влияние солнечной активности на Землю Исследуя Солнце при помощи спутников и АМС, астрономы об наружили его сильное корпускулярное излучение — поток элементар ных частиц (протонов, нейтронов, электронов). Например, во время так называемых хромосферных вспышек, которые взрываются вбли зи пятен, выделяется такая огромная энергия, которую можно срав нить с излучением всей фотосферы Солнца. Не надо путать вспышки с протуберанцами. Протуберанцы (лат. protubero — сдуваюсь) суще ствуют постоянно — это плотные холодные облака водорода, которые поднимаются в корону и движутся вдоль магнитных силовых линий. Благодаря протуберанцам происходит обмен веществ между хромосферой и короной. Вспышка возникает между двумя пятнами с про тивоположной полярностью, когда в течение несколь ких часов температура в этой зоне возрастает до 5-106 К и выделяется энергия 1021 —1025 Дж, что поч ти соизмеримо со светимостью Солнца в видимой ча сти спектра. Во время вспышки энергия излучается в основном в невидимой части спектра (радио-, ультра фиолетовом и рентгеновском диапазоне). При этом в межпланетное пространство также выбрасываются потоки заряженных частиц, летящих со скоростью до 20000 км/с (рис. 12.8). Через несколько часов после вспышки корпускулярные потоки могут долететь до Земли и вызвать возмущение ее магнитного поля и све чение ионосферы, что проявляется в виде интенсив ных полярных сияний. Протуберанцы — плотные облака во дорода, которые поднимаются в ко рону вдоль магнит ных линий. Хромосферная вспышка — времен ное значительное усиление яркости ограниченного участ ка хромосферы Солн ца, взрывной выброс вещества и энергии, накопленной в маг нитном поле солнеч ных пятен. Магнитная буря — возмущения магнит ного поля Земли под воздействием вспыш ки на Солнце. В это время возникают не поладки в радиосвязи и электронных прибо рах, ухудшается само чувствие людей Рис. 12.8. Хромосфер ная вспышка на Солнце Выводы Основным источником энергии для нашей цивилизации является Солнце, которое не только дает нам тепло, но и существенно влияет на все процессы, происходящие на Земле. В будущем солнечный свет станет основным источни- 100
- 101. §12. СОЛНЦЕ — НАША ЗВЕЗДА ком электрической энергии, как на Земле, так и в космических поселениях при освоении других планет. Тесты 1. Солнечная постоянная определяет: А. Количество энергии излучения Солнца за год. Б. Количество энергии излучения Солнца за 1 с. В. Температуру Солнца. Г. Количество энергии, которую получает вся поверхность Земли за единицу времени. Д. Энергию, которую получает 1 м 2 поверхности Земли за 1 с, если солнечные лучи падают перпендикулярно к поверхности. 2. Для определения светимости Солнца необходимо знать: А. Радиус Солнца. Б. Радиус Земли. В. Расстояние от Земли до Солнца. Г. Тем пературу на поверхности Земли. Д. Температуру на поверхности Солнца. 3. Какие из этих химических элементов наиболее распространены на Солнце? А. Оксиген и железо. Б. Водород и гелий. В. Водород и Оксиген. Г. Азот и Оксиген. Д. Феррум и азот. 4. В результате какого процесса выделяется энергия в недрах Солнца? А. Ядерной реакции. Б. Гравитационного сжатия. В. Термоядерной реакции. Г. Горения водорода. Д. Падения метеоритов. 5. Грануляция в фотосфере образуется в результате того, что: А. Корона очень горячая. Б. Энергия передается конвекцией. В. Пятна очень хо лодные. Г. Излучаются нейтрино. Д. На поверхности Солнца появляются волны. 6. Солнце называют желтой звездой, в то время как для большинства людей оно имеет белый цвет. Как объяснить это противоречие? 7. Что снижает температуру внутри солнечных пятен? 8. Какое явление астрономы называют солнечной активностью? 9. Какие процессы на Солнце могут существенно влиять на состояние земной атмосферы? 10. Что является источником энергии Солнца? 11. Вычислите, какую солнечную энергию смогла бы поглотить за 1 час крыша вашего дома в полдень. Диспуты на предложенные темы 12. Какие экологически чистые источники энергии можно предложить для ис пользования в населенном пункте, где находится ваша школа? Задания для наблюдений Внимание! При наблюдениях нельзя смотреть на диск Солнца, как невооружен ным глазом, так и в телескоп без специального светофильтра! 13. Подсчитайте общее количество солнечных пятен и зарисуйте их расположе ние на диске Солпца. Обратите внимание, что пятна часто появляются пара ми. Через несколько дней повторите наблюдения, и вы заметите вращение Солнца вокруг оси — пятна сместились. Количество пятен за это время то же может измениться. Ключевые понятия и термины: —• Гранулы, зона конвекции, зона радиации, корпускулярное излучение, корона, магнит ная буря, протуберанцы, светимость Солнца, солнечный ветер, солнечное пятно, солнечная постоянная, фотосфера, хромосфера, хромосферная вспышка, ядро. 101
- 102. Изучив этот параграф, мы узнаем: • как измеряются расстояния до звезд; что необходимо знать для определения звездной величины; как без термометра можно измерить температуру звезды. Рис. 13.1. Годичный па раллакс определяет угол, под которым было бы видно от звезды боль шую полуось земной ор биты (1 а. е.) в перпен дикулярном к лучу зрения направлении Измерение расстояний до звезд Звезды находятся в миллионы раз дальше, чем Солнце, поэтому горизонтальные параллаксы звезд соответственно в миллионы раз меньше, и измерить такие малые углы еще никому не удавалось. Для из мерения расстояний до звезд астрономы вынуждены определять годичные параллаксы, связанные с орби тальным движением Земли вокруг Солнца (рис. 13.1). В точке С находится Солнце; А, В — положение Зем ли на орбите с интервалом 6 месяцев; ВС = 1 а. е.— расстояние от Земли до Солнца (большая полуось земной орбиты); S — звезда, до которой нужно опре делить расстояние; BSC = р — годичный параллакс звезды. Расстояние от Земли до звезды определяется из прямоугольного треугольника CBS: Расстояние до ближайших звезд Звезда Проксима Барнарда Вольф 359 Сириус Росс 154 Эридана Процион Альта и р Вега Арктур Капелла Расстояние Св. г. 4,2 5,9 7,5 8,8 9,5 11,0 11,4 16,5 26,5 36,0 45,0 ПК 13 1,8 2,4 2,6 2,9 3,3 3,5 5,1 8,1 11,0 13,8 (13.1) Годичный параллакс можно измерять только в течение нескольких месяцев, пока Земля, а вместе с ней и телескоп, двигаясь вокруг Солнца, не пере местится в космическом пространстве. Годичные параллаксы звезд астрономы пытались определять еще во времена Коперника, что могло стать неоспоримым доказательством обращения Земли во круг Солнца и подтверждением гелиоцентрической си стемы мира. Но только в 1837 г. В. Струве в Пулков ской астрономической обсерватории (Россия) определил годичный параллакс звезды Вега ( Лиры). Самый большой параллакс у ближайшей к нам звезды Прок- симы Кентавра р = 0,76", но ее в Европе не видно. Из ярких звезд, которые можно наблюдать в Украине, ближе всего к нам находится звезда Сириус ( Боль шого Пса), годовой параллакс которой р = 0,376". 102
- 103. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД Расстояние до звезд измеряют в световых годах (см. § 1), но в астрономии еще используют единицу парсек (пк) — расстояние, для которого годичный параллакс р = 1" (парсек — сокращение от параллакс-секунда). (13.2) Соотношение между парсеком и световым годом следующее: 1 пк 3,26 св. года. Если годичный параллакс измеряется угловыми секундами, то расстояние до звезд в парсеках можно выразить следующей формулой: (13.3) Видимые звездные величины Впервые термин звездная величина был введен для определения яркости звезд во II в. до н. э. греческим астрономом Гиппархом. Тог да астрономы полагали, что звезды находятся на одинаковом рассто янии от Земли, поэтому их яркость зависит от раз меров этих светил. Сейчас мы знаем, что звезды даже в одном созвездии располагаются на разных расстояниях (рис. 2.2), поэтому видимая звездная величина определяет только некоторое количество энергии, которую регистрирует наш глаз за какой- то промежуток времени. Гиппарх разделил все ви димые звезды по яркости на 6 своеобразных клас сов — 6 звездных величин. Самые яркие звезды были названы звездами первой звездной вели чины, более слабые — второй, а самые слабые, еле видные на ночном небе,— шестой. В XIX в. ан глийский астроном Н. Погсон (1829—1891) допол нил определение звездной величины еще одним условием: звезды первой звездной величины долж ны быть в 100 раз ярче звезды шестой величины (рис. 13.2). Види мую звездную величину обозначают буквой т. Для любых звездных величин, будет справедливо такое отношение их яркости Е1 и Е2: Рис. 13.2. Звезды вблизи Полярной, которые ис пользуют как стандарт для определения види мых звездных величин (13.4) Видимая звездная величина т определяет количество света, попадающего от звезды в наши глаза. Самые слабые звезды, кото рые еще можно увидеть невооруженным глазом, имеют звездную ве личину т = +6т . Уравнение (13.4) называют формулой Погсона. Яркость Е факти чески определяет освещенность, создаваемую звездой на поверхности 103
- 104. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД Земли, поэтому величину Е можно измерять люксами — единицами освещенности, применяющимися в физике. Согласно формуле (13.4), если разница звездных величин двух светил равна единице, то отно шение яркости будет ~2,512. Для определения видимых звездных величин не бесных светил астрономы приняли за стандарт так называемый северный полярный ряд — это 96 звезд вокруг Северного полюса мира. Самая яркая среди них — Полярная, имеет звездную величину т = +2т (рис. 13.2). Относительно этого стандарта слабые звез ды, которые еще можно увидеть невооруженным гла зом, имеют звездную величину +6m , в бинокль видны звезды до +8т , в школьный телескоп видны светила до +11m , а при помощи самых больших телескопов со временными методами можно зарегистрировать слабые галактики до +28m . Очень яркие небесные светила име ют отрицательную звездную величину. Например, са мая яркая звезда нашего неба Сириус имеет видимую звездную величину т = -1,6 m , для самой яркой пла неты Венеры т = -4,5 т , а для Солнца т = -26,7 т . Видимые и абсолют ные звездные величи ны некоторых звезд Звезда т М Солнце -26,7 +4,8 Сириус -1,6 +1,3 Арктур -0,1 -0,3 Вега 0 +0,5 Капелла +0,1 -0,7 Ригель +0,1 -7,5 Процион +0,4 +2,6 Бетельгейзе +0,4 -6,0 Альтаир +0,8 +2,2 Денеб +1,3 -7,4 Абсолютные звездные величины и светимость звезды Хотя Солнце является самым ярким светилом на нашем небе, это не значит, что оно излучает больше энергии, чем другие звезды. Из курса физики известно, что освещенность, созда ваемая источниками энергии, зависит от расстояния до них, так небольшая лампочка в вашей комнате мо жет казаться гораздо ярче, чем дальний прожектор. Для определения светимости, или общей мощности излучения, астрономы вводят понятие абсолютной звездной величины М. Звездную величину, которую имела бы звезда на стандартном расстоянии r0 =10 пк, называют абсолютной звездной величиной. Пример но на таком расстоянии (11 пк, или 36 световых лет) от нас находится звезда Арктур, она имеет видимую звездную величину, почти равную абсолютной. Солн це на расстоянии 10 пк имело бы 'вид достаточно сла бой звезды пятой звездной величины, то есть абсо лютная звездная величина Солнца ~5m . Если известно расстояние до звезды r в парсеках и ее видимая звездная величина т, то абсолютную звездную величину М можно определить при помощи такой формулы: Абсолютная звезд ная величина М определяет яркость, которую имела бы звезда на стандарт ном расстоянии в 10 пк. Светимость звезды определяет мощность излучения звезды. За единицу свети мости принимается мощность излучения Солнца 4-10 26 Вт (13.5) 104
- 105. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД Светимость звезды определяет количество энер гии, излучаемое звездой за единицу времени, то есть мощность излучения звезды. За единицу светимости в астрономии принимают мощность излучения Солн ца 4-Ю26 Вт. Если известна абсолютная звездная ве личина звезды М, то ее светимость определяется при помощи такой формулы: Цвет и температура звезд (13.6) Светимость L некоторых звезд Звезда Солнце Денеб Ригель Бетельгейзе Полярная Капелла Арктур Вега Сириус Альтаир L 1 90000 70000 25000 17600 150 102 54 23 10 Температуру звезды можно определить при помощи законов из лучения черного тела (см. § 6). Самый простой метод измерения тем пературы звезды заключается в определении ее цвета. Правда, нево оруженным глазом можно определить только цвет ярких звезд, так как чувствительность нашего глаза к восприятию цветов при слабом освещении очень мала. Цвет слабых звезд можно определить при по мощи бинокля или телескопа, которые собирают больше света, поэто му в окуляре телескопа звезды кажутся нам более яркими. За температурой звезды разделили на 7 спектральных классов (рис. 13.3), которые обозначили буквами латинского алфавита: О, В, A, F, G, К, М (английская пословица: «Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me» — «будь хорошей девушкой, поцелуй меня»)/ Самую высокую температуру на поверхности имеют голубые звезды спектрального класса О, которые излучают больше энергии в синей части спектра (рис. 13.4). Каждый спектральный класс де лится на 10 подклассов: АО, А1..А9. Обычно в спектре каждой звезды есть темные линии поглоще ния, которые образуются в разреженной атмосфере звезды и в ат мосфере Земли и показывают химический состав этих атмосфер. Ока залось, что все звезды имеют почти одинаковый химический состав, так как основные химические элементы во Вселенной — водород Рис. 13.3. Цвета звезд определяют 7 основных спектральных классов. Самые горячие звезды голубого цвета относятся к спектральному классу О, холодные красные звезды — к спектраль ному классу М. Солнце имеет температуру фото сферы +5780 К, желтый цвет и относится к спек тральному классу G 105
- 106. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД Рис. 13.4. Интенсив ность излучения косми ческих тел с разной температурой. Горячие звезды излучают боль ше энергии в синей ча сти спектра, холодные звезды — в красной. Планеты излучают энер гию преимущественно в инфракрасной части спектра и гелий, а основное отличие различных спектральных классов обу словлено температурой звездных фотосфер. Радиусы звезд Для определения радиуса звезды нельзя использовать геометри ческий метод, потому что звезды находятся настолько далеко от Земли, что даже в большие телескопы еще до недавнего време ни невозможно было измерить их угловые размеры — все звезды имеют вид одинаковых светлых точек. Для определения радиуса звезды астрономы ис пользуют закон Стефана-Больцмана: Радиус звезды можно определить, измеряя ее светимость и темпе ратуру поверхности (13.7) где Q — энергия, излучаемая единицей поверхности звезды за еци- ницу времени; — постоянная Стефана-Больцмана; Т — абсолюте ная температура поверхности звезды. Мощность, которую излучает звезда с радиусом R, определяет ся общей площадью ее поверхности, то есть: (13.8) Рис. 13.5. Радиусы не которых звезд по срав нению с Солнцем 106
- 107. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД • / . - • Г ; . - . • • . - . • - . • • - . . - • • - . • • • • . • • . . - . • - • • • • • • • . • • . • . • • • ; • •• • • • • . • • • • • • . - . • . • . • • • - • • : • • • . , : • ; • : • . . • • • . • • . • . ' • : • ; • С другой стороны, такое же соотношение мы можем записать для энергии, которую излучает Солнце: (13.9) Таким образом, из уравнений 13.8, 13.9 можно определить неиз вестный радиус звезды, если известны радиус , и температура Солнца: (13.10) где — L светимость звезды в единицах светимости Солнца. Оказалось, что существуют звезды, которые имеют радиус в сот ни раз больший радиуса Солнца, и звезды, имеющие радиус мень ший, чем радиус Земли (рис. 13.5). Диаграмма спектр-светимость Солнце по физическим параметрам относится к средним звез дам — оно имеет среднюю температуру, среднюю светимость и т. д. По статистике, среди множества различных тел больше всего таких, кото рые имеют средние параметры. Например, если измерить рост и массу большого количества людей различного возраста, то больше будет людей со средними величинами этих параметров. Астрономы решили проверить, много ли в космосе таких звезд, как наше Солнце. Для этой цели Э. Герцшпрунг (1873—1967) и Г. Рессел (1877—1955) предложили диаграмму, на которой можно обозначить место каждой звезды, если из вестны ее температура и светимость. Ее назвали диаграмма спектр-светимость, или диаграмма Герцшпрунга-Рессела. Она имеет вид графика, на котором по оси абсцисс отмечают спектральный класс или температуру звезды, а по оси ординат — светимость (рис. 13.6). Если Солнце — средняя звезда, то на диаграмме должно быть скопление то чек вблизи того места, которое занимает Солнце. То есть большинство звезд должны быть желтого цве та с такой же светимостью, как Солнце. Каково же было удивление астрономов, когда оказалось, что в космосе не нашли звезды, которую можно счи тать копией Солнца. Большинство звезд на диа грамме оказались в узкой полосе, которую на зывают главной последовательностью. Диаметры звезд главной последовательности отличаются в несколько раз, а их светимость по за кону Стефана-Больцмана (см. §13.5) определяется температурой поверхности. В эту полосу вошли Солнце и Сириус. Существенная 107 Белые карлики — звезды, имеющие радиус в сотни раз меньший солнечного и плотность в миллионы раз большую плотности воды. Красные карлики — звезды с массой меньшей, чем у Солнца, но большей, чем у Юпитера. Температу ра и светимость этих звезд остаются постоян ными на протяжении де сятков миллиардов лет. Красные гиганты — звез ды, имеющие температуру 3000-4000 К и радиус в десятки раз больший солнечного. Масса этих звезд не намного больше массы Солнца. Такие звез ды не находятся в состоя нии равновесия
- 108. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД разница в температуре на поверхности звезд различных спектральных классов объясняется разной массой этих светил: чем больше масса звез ды, тем больше ее светимость. Например, звезды главной последова тельности спектральных классов О и В в несколько раз массивнее Солнца, а красные карлики имеют массу в десятки раз меньшую, чем солнечная. Отдельно от главной последовательности на диаграмме нахо дятся белые карлики (слева внизу) и красные сверхгиганты (справа сверху), которые имеют примерно одинаковую массу, но значительно отличаются по размерам. Гиганты спектрального класса М имеют поч ти такую же массу, как белые карлики спектрального класса В, по этому средние плотности этих звезд существенно различаются. На пример, радиус красного гиганта Бетелъгейзе в 400 раз больший радиуса Солнца, но масса этих звезд почти одинакова, поэтому крас ные гиганты спектрального класса М имеют среднюю плотность в миллионы раз меньшую, чем плотность земной атмосферы. Типич ным представителем белых карликов является спутник Сириуса. Рис. 13.6. Диаграмма Герцшпрунга-Рессела. По оси абсцисс отмечена температура звезд, по оси ординат — свети мость. Солнце имеет температуру 5780 К и светимость 1. Холод ные звезды на диаграм ме расположены справа (красного цвета), а более горячие — слева (синего цвета). Звезды, излучаю щие больше энергии, на ходятся выше Солнца, а звезды-карлики — ни же. Большинство звезд, к которым относится и Солнце, находятся в узкой полосе, которую называют главной после довательностью звезд Для любознательных Главная загадка диаграммы спектр-светимость заключается в том, что в кос мосе астрономы еще не нашли хотя бы две звезды с одинаковыми физическими параметрами — массой, температурой, светимостью, радиусом. Наверное, в тече ние эволюции звезды меняют свои физические параметры, поэтому маловероят но, что мы сможем отыскать в космосе еще одну звезду, которая зародилась од новременно с нашим Солнцем, имея тождественные начальные параметры. 108
- 109. §13. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВЕЗД Выводы Физические характеристики звезд: светимость, температура, радиус, плот ность — существенно разнятся между собой. Между этими характеристиками су ществует взаимосвязь, отражающая эволюционный путь звезды. Солнце по своим параметрам относится к желтым звездам, находящимся в состоянии равновесия, и не меняющим своих размеров в течение миллиардов лет. В космосе существуют звезды-гиганты, которые в тысячи раз больше Солнца, и звезды-карлики, радиус которых меньший радиуса Земли. Тесты 1. Какими единицами астрономы измеряют расстояние до звезд? А. Километрами. Б. Астрономическими единицами. В. Параллаксами. Г. Све товыми годами. Д. Парсеками. 2. Видимая звездная величина определяет: А. Светимость звезды. Б. Радиус звезды. В. Яркость звезды. Г. Освещенность, которую создает звезда на Земле. Д. Температуру звезды. 3. На каком расстоянии абсолютная и видимая звездные величины имеют оди наковое значение? А. 1 а. е. Б. 10 а. е. В. 1 св. год. Г. 10 св. лет. Д. 1 пк. Е. 10 пк. 4. Какие из приведенных спектральных классов звезд имеют на поверхности наивысшую температуру? А. А; Б. В; В. F; Г. G; Д. К. 5. Выберите температуру на поверхности и спектральный класс, к которому относится Солнце: А. А +10000 К; Б. В. +10000 К; В. С +6000 К; Г. G. +6000 К; Д. М. +3000 К. 6. Какие звезды имеют самую высокую температуру на поверхности и какому спектральному классу они принадлежат? 7. В чем состоит разница между видимой и абсолютной звездными величинами? 8. Как астрономы измеряют температуру звезд? 9. Звезды какого цвета имеют самую высокую температуру на поверхности? Наименьшую температуру? 10. Существуют ли звезды, масса которых меньше массы Земли? Радиус которых меньше радиуса Земли? Диспуты на предложенные темы 11. Определите радиус одной из ярких звезд, которая видна вечером в ваш день рождения. Как выглядела бы эта звезда на нашем небе, если бы она нахо дилась на месте Солнца? Задания для наблюдений 12. Годовой параллакс Беги ( Лиры) равен 0,12". Какое расстояние до нее в пар секах и световых годах? Ключевые понятия и термины: Абсолютная звездная величина, видимая звездная величина, диаграмма спектр- светимость, парсек, северный полярный ряд, светимость звезды, спектральные классы. 109
- 110. Изучив этот параграф, мы узнаем: как рождаются новые звезды; почему происходят космические катастрофы, когда взрываются ста рые звезды; превратится ли Солнце в черную дыру. Зарождение звезд Астрономы создали теорию эволюции звезд благодаря тому, что в космосе можно наблюдать миллиарды звезд разного возраста. Это немного похоже на то, как за несколько часов можно описать рост и развитие дерева, которое растет десятки лет,— надо только пойти в лес и изучить деревья разных возрастов. Вселенная — это свое образный космический парк, в котором звезды рождаются, некото рое время светят, а затем погибают. Трудно увидеть звезду до ее рождения, пока она не начнет светиться в видимой части спектра. Звезды зарождаются вместе с планетами с разрежен ных газопылевых облаков, которые образуются по сле взрыва старых звезд. При помощи современных телескопов астрономы обнаружили в космосе сотни таких огромных газопылевых туманностей, где про исходит образование молодых миров. Например, та кие своеобразные «ясли» новорожденных звезд мож но увидеть в созвездии Орион (рис. 14.1) и звездном скоплении Плеяды (рис. 14.2). Судьба звезды и продолжительность ее жизни зависят от начальной массы зародыша звезды — про- тозвезды. Если она была в несколько раз больше, чем масса Солнца, то во время гравитационного сжатия образуются горячие звезды спектральных классов О и В. Протозвезды с такой начальной массой, как мас са Солнца, во время гравитационного сжатия нагре ваются до температуры 6000 К. Протозвезды с мас сой в несколько раз меньшей, чем солнечная, могут превратиться только в красных карликов. Наименьшая масса, необходимая для начала термоядерных реак ций в недрах звезды, равна почти 0,08 массы Солнца. Объекты меньшей массы никогда в звезды не превра тятся — они будут излучать энергию только в инфра красной части спектра. Такие космические тела мы наблюдаем даже в Солнечной системе — это планеты- Рис. 14.1. Туманность Ориона можно увидеть даже невооруженным глазом. Расстояние до нее около 1000 св. лет Рис. 14.2. Туманность в звездном скоплении Плеяды, из которой образуются молодые звезды 110
- 111. §14. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД гиганты Юпитер, Сатурн, Нептун (см. § 9). Возможно, что в межз вездном пространстве количество таких холодных инфракрасных тел (их еще называют коричневыми карликами) может быть намного больше, чем видимых звезд. Звезда в состоянии гравитационного равновесия В течение своей долгой жизни каждая звезда мо жет как увеличивать, так и уменьшать свои основные параметры — температуру, светимость и радиус. Звез ды главной последовательности (рис. 13.6) находятся в состоянии гравитационного равновесия, когда внеш ние слои за счет гравитации давят к центру, в то вре мя как давление нагретых газов действует в противо положном направлении — от центра (рис. 14.3). Звезда в состоянии гравитационного равновесия не изменяет своих параметров, поскольку интенсивное излучение энергии с поверхности компенсируется источником энергии в недрах — термоядерными реакциями. Такой процесс продолжается до тех пор, пока половина водорода в ядре не превратится в гелий, и тогда интенсивность термоядерных реакций может уменьшиться. Продолжительность такой стационарной фа зы в жизни звезды, когда ее параметры долгое время остаются посто янными, зависит опять же от ее массы. Расчеты показывают, что такие звезды, как Солнце, в состоянии равновесия светят не менее 10 млрд лет. Более массивные звезды спектральных классов О, В, в не драх которых термоядерные реакции протекают интенсивнее, в равно весии светят 100 млн лет, а дольше всего «мерцают» маленькие крас ные карлики — их возраст может превосходить 10 11 лет. Рис. 14.3. Звезда в со стоянии равновесия: внешние силы гравита ции уравновешены си лами газового давления Переменные звезды Переменные звезды в течение некоторого вре мени могут изменять свою яркость. Различают следу ющие типы переменных звезд: • блеск звезды может изменяться в кратных систе мах, когда происходят периодические затмения объектов, имеющих разную светимость. Приме ром такой переменной звезды является Алголъ — известная двойная звезда Персея; • другой тип переменных звезд называют физи чески переменными. Изменение яркости та ких звезд связано с тем, что термоядерные реакции в центре звезды со временем будут протекать не так интенсивно, тогда нарушение Рис. 14.4. Планетарная туманность образуется, когда нарушается рав новесие и звезда сбра сывает внешние слои 111
- 112. §14. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД гравитационного равновесия будет заметно в изменении ее размеров и температуры на поверхности — на диаграмме спектр-светимость такие звезды не имеют постоянного поло жения и смещаются с главной последовательности вправо. Из различных типов физически переменных звезд привлекают внимание цефеиды. Их название происходит от созвездия, в котором впервые заметили такую переменную звезду — Цефея. Расчеты пе риода изменения яркости показали, что цефеиды меняют свой ради ус, поэтому их можно считать своеобразными маятниками, которые колеблются в своем гравитационном поле. Период пульсаций зависит от массы и радиуса звезды, например Цефея пульсирует с перио дом 5,4 суток. Пульсации приводят к тому, что цефеида со временем превращается в гиганта, который может постепенно сбрасывать свою оболочку. Такие объекты астрономы ошибочно назвали планетарны ми туманностями — когда-то считали, что так рождается новая пла нетная система (рис. 14.4). Горячее ядро такой планетарной туманно сти постепенно сжимается и превращается в белый карлик. Рис. 14.5. Туманность Краб, образовавшаяся после возгорания Сверхновой в 1054 г. Новая звезда — взрывная перемен ная двойная звезда, которая внезапно увеличивает свою светимость в 100— 10000000 раз (10 2 — 10 7 раз). Сверхновая — звез да, светимость кото рой увеличивается за несколько дней в миллиарды раз Новые и Сверхновые звезды Звезды с массой в несколько раз большей, чем солнечная, заканчивают свою жизнь грандиозным взрывом. В 1054 г. китайские астрономы наблюдали чрезвычайно яркую новую звезду, которую было вид но днем в течение нескольких недель. Эту необычную звезду заметили также летописцы в Киевской Руси, так как это был год смерти Ярослава Мудрого. Счита лось, что появление новой звезды предсказывало «Бо жье знамение» на печальное событие в жизни Руси. Сегодня на том месте, где вспыхнула эта таинствен ная звезда, видна туманность Краб (рис. 14.5). Звезды спектральных классов О и В, которые в течение не скольких дней увеличивают свою яркость в сотни мил лионов раз, называют Новыми. Иногда Новая излуча ет почти столько же энергии, сколько выделяют вместе все звезды в галактике — такие звезды называются Сверхновыми. Туманность Краб в созвездии Тельца яв ляется остатком такой Сверхнобой, вспыхнувшей 4 ию ля 1054 г. Вернее, если учесть, что туманность Краб находится на расстоянии 6500 св. лет от Земли, то вспышка Сверхновой произошла еще 7500 лет назад. Последнюю вспышку Сверхновой астрономы на блюдали в прошлом тысячелетии 24 февраля 1987 г. в соседней галактике — Большом Магеллановом Облаке. Взорвалась гигантская звезда спектрального 112
- 113. §14. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД класса В, которая несколько недель светила ярче всех звезд в галактике (рис. 14.6). Примерно за 20 часов перед вспышкой Сверхновой была зарегистрирована ударная волна нейтринного потока, который длился 13 с и по мощности был в десятки тысяч раз больше, чем энергия в оптическом диапазоне. Таким образом, в 1987 г. астрономы впервые получили информацию о далеком космическом событии, которое произошло почти 200000 лет назад. После вспышки звезды все планеты, об ращающиеся вокруг нее, испаряются и пре вращаются в газопылевую туманность, из ко торой в будущем может образоваться новое поколение звезд. То есть во Вселенной наблю дается своеобразный круговорот вещества: звез ды — вспышка звезд — туманность — и сно ва рождение молодых звезд (рис. 14.7). Для любознательных После вспышки Новой или Сверхновой остается ядро, в котором отсутствует источник энергии. Такая звезда постепенно уменьшает свой радиус и светит только благодаря грави тационному сжатию — потенциальная энергия звезды превращается в тепло. При сжатии мас са остается постоянной, поэтому увеличивается плотность и звезда превращается в белый кар лик. Если начальная масса звезды была в не сколько раз больше, чем солнечная, то белый карлик может превратиться в нейтронную звез ду, радиус которой не превышает нескольких десятков километров, а плотность достигает фантастической величины 10 15 г/см 3 . Первую нейтронную звезду случайно открыли в Кем бриджском университете в 1967 г. При помощи небольшой антенны астрономы зарегистриро вали радиосигнал, который повторялся с посто янным периодом 1 с. Ночью в том направле нии, откуда поступали импульсы, не было видно ни одной звезды, поэтому астрономы даже вы двинули гипотезу, что радиосигнал искусствен ного происхождения от внеземной цивили зации. Затем наблюдения показали, что такие периодические сигналы поступают на Землю от сотен других невидимых источников, которые были названы пульсарами. Один из пульсаров был обнаружен даже в центре знаменитой ту манности Краб. Рис. 14.6. Вспышка Сверхновой в соседней галактике Большое Магелланово Облако (1987 г.) Рис. 14.7. Круговорот вещества при образовании и взрыве звезд. Во время вспышки Новых образуются тяжелые химические элементы, поэтому новое поколение планетных систем образует ся с другим химическим составом. Пла неты земного типа, имеющие твердую поверхность, могли возникнуть только на руинах старой планетной системы, когда во время вспышки Новых синте зируются Si, Fe, Al 113
- 114. §14. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД Пульсары и нейтронные звезды Современные теоретические расчеты показывают, что пульсары и нейтронные звезды — одни и те же объекты. Вследствие сжатия ней тронной звезды должен действовать закон сохранения момента импульса. Этот закон часто используют на льду фигуристы, когда надо вызвать быстрое вращение своего тела вокруг оси. Спортсмены сначала начинают медленно обращаться вокруг оси с вытянутыми в сто роны руками. Затем постепенно подводят руки к туло вищу, при этом угловая скорость обращения резко воз растает. Такой же рост угловой скорости наблюдается при уменьшении радиуса звезды. Например, сейчас Солнце обращается вокруг своей оси с периодом при мерно 28 суток. Если бы радиус Солнца уменьшился до 10 км, то его период обращения равнялся бы 1 с. При гравитационном сжатии возрастает напря женность магнитного поля звезды, она «выпускает» из лучение только через магнитные полюса в виде свое образных «прожекторов», которые описывают в космосе огромный конус. Возможно, что в Галактике существу ют миллионы нейтронных звезд, но зарегистрировано только несколько сотен в виде пульсаров (рис. 14.8), поскольку большинство таких «прожекторов» не на правлены на Землю. Рис. 14.8. Периодиче ские сигналы пульсаров объясняются большой угловой скоростью вра щения нейтронной звез ды вокруг своей оси Пульсар — источник электромагнитных волн, который излу чает энергию в виде импульсов с опреде ленным периодом Черные дыры Черная дыра не вы пускает из поля тя готения ни элемен тарных частиц, ни электромагнитные волны Черные дыры (рис. 14.9) образуются на последней стадии эволюции звезд с массой большей чем 3 . Та кое странное название связано с тем, что эти тела долж ны быть невидимыми, так как не выпускают за свои пределы свет. Кроме того, такие объекты втягивают все из окружающего пространства. Если космический ко рабль попадает на границу черной дыры, то вырваться из ее поля тяготения он не сможет, потому что вторая космическая скорость у ее поверхности равна скорости света 300000 км/с. Если в формулы 5.5 и 5.2 вместо V2 подставить ско рость света, то получим предел, до которого может сжиматься звезда, пока вторая космическая скорость у ее поверхности не достигнет ско рости света: (14.1) где R0 — предельное значение радиуса, G — гравитационная посто янная, М — масса объекта, с = 300 000 км/с — скорость света. 114
- 115. Из формулы 14.1 можно определить крити ческий радиус любого космического тела с извест ной массой. Например, для Земли R0 = 1 см, а для Солнца R0 = 3 км — такой объект не будет выпу скать из гравитационного поля даже квантов све та, поэтому он становится невидимым, и от него мы не можем получить информацию при помощи электромагнитных волн. Подобных черных дыр, или своеобразных звездных могил, в космосе мо жет насчитываться даже больше, чем обычных звезд. Получить информацию о черной дыре мож но при помощи гравитационного поля, которое не может исчезнуть бесследно. Для любознательных Представьте себе, что космический корабль приближается к черной ды ре. Его скорость должна постепенно возрастать до скорости света. Но, согласно теории относительности, скорость материального тела, масса покоя которого от личается от нуля, никогда не достигнет скорости света. То есть по земным часам воображаемый космический корабль никогда не долетит до границы черной ды ры, поскольку время для космонавтов на борту корабля будет замедляться. Ес ли космонавты будут поддерживать связь с Землей при помощи радио, то за медление времени проявится в том, что сигналы с корабля будут поступать все реже и реже. С другой стороны, космонавты на космическом корабле будут на блюдать совершенно другое течение времени — сигналы от землян будут посту пать все чаще и чаще. То есть космонавты на корабле, который падает в черную дыру, могли бы увидеть далекое будущее нашего мира, но они не смогут пере дать нам информацию о нашем будущем, потому что сигнал через границу чер ной дыры никогда не достигнет Земли. Эволюция Солнца Теоретические расчеты показывают, что такие звезды, как Солнце (рис. 14.10), никогда не станут черными дырами, поскольку они имеют недостаточную массу для гравитационного сжатия до кри тического радиуса. В состоянии гравитационного равновесия Солнце может светить 1010 , но мы не можем точно определить его возраст, то есть сколько времени прошло от момента его образования. Прав да, при помощи радиоактивного распада тяжелых химических эле ментов можно определить примерный возраст Земли — 4,5 млрд лет, но Солнце могло образоваться раньше, чем сформировались плане ты. Если все же звезды и планеты формируются одновременно, то Солнце может светить в будущем еще 5 млрд лет. После того как в ядре весь водород превратится в гелий (см. § 12), нарушится рав новесие в недрах Солнца, и оно может превратиться в переменную пульсирующую звезду — цефеиду. Затем из-за нестабильности радиус Рис. 14.9. Черная дыра 115
- 116. §14. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД Рис. 14.10. Солнечная система образовалась 5 млрд лет назад из огромного газопыле вого облака Солнца начнет увеличиваться, а температура фото сферы снизится до 4000 К — Солнце превратится в красного гиганта. На небосклоне Земли будет све тить гигантский красный шар, угловой диаметр ко торого увеличится в 10 раз по сравнению с современ ным Солнцем и будет достигать 5°. Голубого неба на Земле не станет, потому что светимость будущего Солнца вырастет в десятки раз, а температура на по верхности нашей планеты будет больше чем 1000 К. Выкипят океаны, и Земля превратится в страшную горячую пустыню, чем-то похожую на современную Венеру. В Солнечной системе такая температура, ко торая сейчас на Земле, будет только на окраинах — на спутниках Сатурна и Урана. В стадии красного ги ганта Солнце будет светить примерно 100 млн лет, после чего верхняя оболочка оторвется от ядра и нач нет расширяться в межзвездное пространство в виде планетарной туманности (рис. 14.11). При расшире нии наверняка испарятся все планеты земной группы, и на месте Солнца останется белый карлик — малень кое горячее ядро, в котором когда-то протекали термо ядерные реакции. Радиус белого карлика будет не боль ше, чем у Земли, но плотность достигнет 10 10 кг/м 3 . Белый карлик не имеет источников энергии, поэтому температура его поверхности постепенно понизится. Последняя стадия эволюции нашего Солнца — холод ный черный карлик. Рис. 14.11. Эволюция Солнца в будущем. Солнце может светить еще 5 млрд лет. Затем оно преобразуется в красного гиганта, ко торый сожжет все жи вое на Земле Для любознательных Солнечная система образовалась 5 млрд лет назад из гигант ского облака газа и пыли. А раньше вместо этого облака существо вала звезда, которая взорвалась как Сверхновая. То есть наше Солн це относится уже ко второму (а возможно и третьему) поколению звезд, имеющих много тяжелых химических элементов, из которых образовались планеты земной группы. 116
- 117. §14. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД Выводы В космосе постоянно происходит рождение молодых звезд из газопыле вых туманностей и взрывы старых, когда образуются новые туманности. Солнеч ная система образовалась около 5 млрд лет назад из гигантского газопылевого облака, возникшего на месте взрыва старой звезды. В состоянии равновесия Солнце будет светить еще несколько миллиардов лет, а потом превратится в крас ный гигант, который уничтожит все живое на Земле. Тесты ' 1. Какие из этих звезд светят дольше всех? A. Гиганты спектрального класса О. Б. Белые звезды спектрального класса А. B. Солнце. Г. Красные гиганты спектрального класса М. Д. Красные карлики спектрального класса М. 2. Звезды какого спектрального класса имеют самую краткую жизнь? А. А. Б. В. В. F. Г. G. Д. К. Е. М. 3. Какой космический объект называют пульсаром? А. Красный гигант. Б. Нейтронную звезду. В. Белый карлик. Г. Пульсирующую звезду. Д. Красный карлик. 4. Термин «новая звезда» означает: A. В космосе образовалась молодая звезда. Б. Взорвалась старая звезда. B. Периодически увеличивается яркость звезды. Г. Происходят столкновения звезд. Д. Космические катастрофы с неизвестным источником энергии. 5. В будущем Солнце может превратиться: А. В черную дыру. Б. В нейтронную звезду. В. В пульсар. Г. В красный гигант. Д. В красный карлик. Е. В белый карлик. 6. Когда параметры звезды остаются постоянными? 7. Какие звезды светят дольше всего? 8. Сколько времени может светить Солнце в состоянии равновесия? 9. Как гибнут звезды большой массы? 10. Может ли звезда красный карлик превратиться в белый карлик? 11. Почему пульсары периодически изменяют интенсивность излучения? 12. Определите плотность звезды белый карлик, имеющей диаметр 1000 км и массу 10 30 кг. 13. Определите плотность звезды Бетельгейзе, если ее радиус в 400 раз боль ше радиуса Солнца, а масса приблизительно равна массе Солнца. Диспуты на предложенные темы 14. Как, по вашему мнению, могла бы выжить в Солнечной системе наша циви лизация, если Солнце в будущем превратится в красный гигант? Задания для наблюдений • 15. Отыщите на небе Большую туманность в созвездии Орион и определите вре мя ее восхода, захода и кульминации. 16. Отыщите на небе яркие звезды, которые видны в вечернее время, и срав ните их с Солнцем. Ключевые понятия и термины: = Переменная звезда, коричневый карлик, круговорот вещества, сверхновая звезда, нейтронная звезда, новая звезда, протозвезда, планетарная туманность, пульсар, цефеида, черная дыра.
- 118. Изучив этот параграф, мы узнаем: о строении Галактики — звездной системы, где мы находимся; какими были другие галактики 10 млрд лет назад; имеет ли Вселенная границу в пространстве. Строение Галактики Звезды в Галактике образуют определенные системы, которые длительное время существуют в общем гравитационном поле. Большин ство звезд движется в двойных и кратных системах, в которых компо ненты обращаются вокруг общего центра масс подобно обращению пла нет Солнечной системы. Многочисленные системы объединения звезд насчитывают сотни тысяч объектов — это звездные скоп ления и ассоциации. Шаровые звездные скопления со стоят из миллионов звезд (рис. 15.1). Рассеянные звезд ные скопления имеют несколько тысяч объектов (самые яркие из них Плеяды (Стожары; рис. 14.2) и Гиады видны невооруженным глазом в созвездии Тельца). В звездные ассоциации входят относительно молодые звезды, которые имеют общее происхождение. Галактику часто изображают как звездную си стему в виде гигантского блина, в котором звезды движутся в одной плоскости. На самом деле Галак тика имеет сферическую форму с диаметром почти 300000 св. лет, но большинство звезд большой свети мости находится примерно в одной плоскости, поэто му их видно на небе как туманную светлую полосу, которую в Украине называют Чумацкий Шлях. На звание Галактика пришло из Древней Греции и в пе реводе означает Млечный Путь (см. § 1). Обратите внимание, что все яркие звезды (созвездие Орион, Ле бедь, Лира, Орел) находятся в полосе Млечного Пути. В этой плоскости располагается значительная часть газопылевых туманностей (рис. 15.2), из которых об разуются новые поколения звезд и планет. Все эти объекты формируют так называемую плоскую состав ляющую Галактики, в которую входит и Солнечная система (рис. 15.3). Старые звезды малой светимости, входящие в шаровые скопления, относятся к сфери ческой составляющей Галактики. По химическому составу звезды шаровых скоплений содержат в сотни раз меньше тяжелых химиче- Рис. 15.1. Шаровое звезд ное скопление /И13 в со звездии Геркулес: рассто яние — 16000 св. лет, диаметр — 75 св. лет, количество звезд — 10 6 118
- 119. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Рис. 15.2. Газопылевая туманность Трифид в созвездии Стрельца Рис. 15.3. Строение Галактики. В плоскости Галактики существуют газопылевые туманно сти, в которых рождаются молодые звезды и планетные системы ских элементов, чем Солнце, потому что это звезды первого поколения, которые сформировались одновременно с образованием Галактики еще 10—15 млрд лет назад. Зарождение новых звезд и планетных систем сейчас происходит только в плоскости Галактики, где газопылевые ту манности образуются после взрыва Новых и Сверхновых звезд. Центр Галактики Центр Галактики находится в направлении созвездия Стрель ца, но эта область спрятана от нас огромными облаками пыли, ко торые поглощают излучение в видимой части спектра (рис. 15.4). В центре Галактики находится ядро диаметром 1000—2000 пк. Существует гипотеза, что в ядре Галактики располагается черная дыра с массой в миллионы раз большей, чем масса Солнца. В центре Галактики вблизи ядра существует свое образная выпуклость — округлый выступ, где концентрируются звезды и облака горячего газа, которые находятся от нас на расстоянии почти 10000 пк. Эти облака окружают центр Галакти ки густым покрывалом, поэтому с помощью опти ческих телескопов непосредственно наблюдать ее ядро мы не можем. Только с помощью радиоте лескопов и телескопов инфракрасного и рентге новского диапазонов удается зарегистрировать ин тенсивное излучение центра (ядра) Галактики. 119 Рис. 15.4. Центр галак тики, который виден в направлении созвез дия Стрельца
- 120. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Обращение звезд в Галактике Солнце расположено вблизи плоскости Галактики на расстоянии 25000 св. лет от ее ядра. Вектор скорости Солнца относительно бли жайших звезд направлен к созвездию Геркулес. Вместе со всеми сосед ними звездами Солнце обращается вокруг ядра Галактики со скоростью 250 км/с. Период обращения Солнца вокруг ядра называется галакти ческим годом и равен 250 000 000 земных лет. Анализ скорости обра щения звезд свидетельствует о существенном отличии между поведени ем объектов в сферической и плоской составляющих Галактики. Если звезды плоской составляющей обращаются вокруг центра Галактики вблизи одной плоскости, то звезды сферической составляющей объеди нены в огромные шаровые скопления, которые обращаются вокруг цен тра по вытянутым орбитам в разных плоскостях. К тому же, период обращения этих скоплений показывает, что значительная масса Галак тики распределена именно в сферической составляющей. Это могут быть объекты малой массы, которые не излучают энергию в видимой части спектра, либо черные дыры малой массы (рис. 15.5). Рис. 15.5. Обращение звезд в Галактике Одной из тайн Галактики являются так называемые спиральные рукава, которые зарождаются где-то в ее центре. Солнце находится на периферии одного из таких рукавов, который закручен в плоско сти галактического диска. Астрономы считают, что спиральные рука ва возникают как спиральные волны плотности, кото рые создаются при сжатии облаков межзвездного газа на начальном этапе формирования звезд (см. § 14). В свою очередь, при возникновении звезд в межзвезд ных облаках газа и пыли возникают ударные волны, что приводит к образованию молодых звезд. Когда мас сивные звезды вспыхивают как Сверхновые, то обра зуются новые туманности и новые ударные волны, ко торые распространяются в межзвездном пространстве. То есть формирование одной группы звезд обеспечива ет создание механизма для образования нового поко ления звезд. Этот процесс иногда называют формиро ванием звезд при помощи саморазмножения о Галактический год — период обра щения Солнца вокруг ядра Галактики. Про должается 250 млн земных лет. Спиральные рукава возникают в некото рых галактиках как странные волны плотности, где фор мируются новые по коления звезд 120
- 121. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Ближайшие соседи Галактики Наблюдая другие галактики, астрономы обратили внимание на то, что не все они имеют спиральную структуру. Существуют три ти па галактик — спиральные, эллиптические и неправильные. Наша Га лактика, так же как и галактика в созвездии Андромеды М31, отно сится к типу спиральных. Они имеют схожий вид, почти одинаковые размеры и примерно одинаковое количество звезд. Галактика М31 на ходится на расстоянии 2 млн св. лет от Земли — это самый дальний объект во Вселенной, который еще можно наблюдать невооруженным глазом (рис. 15.6). Ближайшие к нам галактики, Большое и Малое Магеллановы Облака (БМО, ММО), можно увидеть на небе Южного полушария. Рис. 15.6. Галактику М31 в созвездии Андромеды вид но невооруженным гла зом — она находится на расстоянии 2300 тыс. св. лет В спиральных рукавах галактик сейчас происходит интенсивное рождение молодых звезд и формирование планетных систем, в то вре мя как в эллиптических галактиках больше старых желтых и красных звезд. Возможно, что в эллиптических галактиках процесс образования звезд уже закончился. Распределение галактик во Вселенной Наблюдая гравитационное взаимодействие планет и звезд, астро номы обратили внимание на своеобразную иерархическую структуру движения космических тел. 1. Планеты и их спутники, обращающиеся вокруг своей звезды. 2. Звездные скопления, насчитывающие ты сячи и даже миллионы объектов. 3. Галактики, которые объединяют в общее гравитационное поле сотни миллиардов звезд, обращающихся вокруг одного ядра. 4. Скопление галактик, насчитывающих мил лионы объектов. 121 Рис. 15.7. Скопление га лактик в созвездии Волосы Вероники
- 122. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Великая стена — огромные скопления галактик в направле нии созвездий Дева и Волосы Вероники Наша Галактика и галактика М31 входят в Местную группу галактик. Наибольшие скопления галактик наблюдаются в созвезди ях Дева и Волосы Вероники (рис. 15.7). В этом направлении астро номы открыли своеобразную Великую стену, где на расстоянии 500 млн св. лет наблюдается значитель ное увеличение количества галактик по сравнению с другими направлениями. Отдельные галактики взаимодействуют между собой, происходят даже их столкновения, когда одна галактика поглощает другую,— наблюдается свое образный галактический «каннибализм» (рис. 15.8). На последней, четвертой, ступени иерархической структуры скопления галактик почти не взаимодействуют между собой, поэтому не выявлено ни одного общего центра, вокруг которого могли бы обращаться милли оны галактик. Еще одной характерной чертой распределения галактик в про странстве является то, что они размещены во Вселенной в большом масштабе не хаотично, а образуют очень странные структуры, напо минающие огромные сетки из волокон. Эти волокна окружают гигант ские, относительно пустые области — пустоты. Некоторые пустоты имеют диаметр 300 млн св. лет. Вероятным объяснением волокнистой структуры Вселенной является то, что галактики в пространстве расположены на поверхности огромных пузырей, а пустоты являют ся их внутренней областью. С поверхности Земли нам кажется, что галактики расположены подобно ожерельям, которые нанизаны на волокна, потому что мы их видим на оболочках огромных космиче ских пузырей (рис. 15.9). Рис. 15.8. Столкновение галактик Рис. 15.9. Волокнистая структура Вселен ной. Галактики расположены на поверхно сти огромных пузырей, а мы их видим в виде ожерелья 122
- 123. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Закон Хаббла В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл ис следовал спектры галактик и обратил внимание на то, что линии поглощения во всех спектрах смещены в красную сторону. Согласно эффекту Доплера, это свидетельствует о том, что все галактики от нас уда ляются. Кроме того, по величине смещения спек тральных линий можно определить скорость, с кото рой они удаляются. Оказалось, что скорость, с которой «убегают» от нас другие галактики, увеличивается прямо пропорционально расстоянию до этих галактик (закон Хаббла): V = Нr, где V — скорость галакти ки, Н — постоянная Хаббла, r — расстояние до га лактики в мегапарсеках. По последним измерениям Н~70км/(с . Мпк). Разлетание галак тик — удивительный процесс расширения Вселенной, который сопровождается уве личением расстояний между галактиками Для любознательных По закону Хаббла, если известно смещение спектральных линий, то мож но определить скорость галактики, а следовательно, и расстояние до нее. Самый удаленный объект, который удалось зарегистрировать, находится на расстоянии 14 млрд св. лет и имеет скорость 280000 км/с. То есть мы его видим в то время, когда еще не было не только нашей Земли и Солнца, но даже нашей Галактики. На первый взгляд, кажется, что наша Галактика находится в центре этого расши рения, но оказывается, что никакого центра у Вселенной не существует. Житель любой другой галактики будет наблюдать такое же расширение, поэтому он мо жет считать, что его галактика тоже находится в центре Вселенной. Космологические пара доксы — противоречия, возникающие в вечной и бесконечной Вселенной Модели Вселенной Для построения модели Вселенной необходимо ответить на во прос: «Имеет ли Вселенная какую-то границу в пространстве?». Бес конечная и безграничная в пространстве и време ни Вселенная привлекает к себе внимание тем, что она не имеет краев и содержит бесконечное количество звезд и галактик. Но в такой вечной и бесконечной Вселенной возникают противоре чия, которые в астрономии называют космологи ческими парадоксами. Существует три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и «теплой смерти» Вселенной. Мы рассмотрим только фотометрический парадокс, который был сформулирован в 1744 г. швейцарским астрономом Ж. Шезо и дополнен немецким астрономом И. Ольберсом в 1826 г. Кратко суть этого парадокса можно выразить следующим вопросом: «Если Вселенная бесконечна, то почему ночью темно?» Кажется, что на не го сможет ответить каждый ученик, ведь смену дня и ночи изучают 123
- 124. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Рис. 15.10. Окружность может служить моделью безграничного одномер ного мира, который име ет конечную длину. В та ком пространстве можно совершить кругосветное путешествие и вернуться на место старта Рис. 15.11. Сфера может быть моделью двумерно го безграничного мира, который имеет конечную площадь. В таком про странстве тоже можно совершить кругосветное путешествие — так Ма геллан доказал, что по верхность Земли не име ет предела в начальной школе. Но надо помнить, что над ночной поверхностью Земли светит множество звезд безгра ничной Вселенной, которые излучают бесконечное ко личество энергии, поэтому освещения звезд и галак тик должно быть не меньше освещения, создаваемого Солнцем. Но по собственному наблюдению мы видим, что ночью небо гораздо темнее, чем днем. Математи ки предложили такую модель Вселенной, в которой можно опровергнуть фотометрический парадокс. Все ленная может быть безграничной, но конечной. В од номерном пространстве такой безграничный конечный мир — это обычная окружность или любая другая замкнутая кривая (рис. 15.10). Закрытое двумерное пространство — поверхность сферы, которая не имеет границ, но площадь поверхности сферы является ко нечной величиной (рис. 15.11). Мы живем в трехмерном пространстве, и трудно представить себе такую закрытую Вселенную, которая не имеет границы, но имеет конечный объем и, следо вательно, ограниченное количество звезд и галактик. В такой Вселенной нет центра, все точки в ней равно правны и во всех направлениях пространство однород но. На практике трудно проверить, в каком простран стве обитают некие существа, и узнать, является ли пространство конечным. Если пространство закрыто, то путешественник, передвигаясь в одном направлении, может совершить кругосветное путешествие и вернуть ся в точку старта. В истории земной цивилизации пер вое такое путешествие совершил Магеллан (1480— 1521), который доказал, что поверхность Земли является закрытым двумерным пространством. В трехмерной Вселенной космонавты никогда не смогут завершить такое кругосветное путешествие, поэтому проверку можно сделать только с помощью теоретических рассуждений, которые мы рассмотрим в следующем параграфе. Выводы Вселенная имеет сложную ячеистую структуру, в которой происходит грави тационное взаимодействие всех космических тел. Вокруг звезд обращаются другие звезды и планеты. Кроме того, звезды образуют огромные скопления, насчитывающие сотни тысяч и миллионы объектов. В общем поле тяготения галактик находятся уже сотни миллиардов звезд, которые обращаются вокруг общего центра. Галактики тоже образуют отдельные скопления, которые размещены в большом масштабе не хаотич но, а образуют очень странные структуры, напоминающие огромные сетки из воло кон. Мы живем во Вселенной, которая расширяется в безграничном пространстве. 124
- 125. §15. СТРОЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ •:• • • •••: : • •••••/ .-••:;• . - . • • • • • • • - •••••• . • . . . . • . - . , : . : • . . v . . - . - • . • • • • • • • • ' . . • • . : • . . , • • •. . . • . : • - • . • • . • - . . - . Тесты 1. Слово «галактика» в переводе с греческого языка означает: А. Млечный Путь. Б. Серебристый путь. В. Черный путь. Г. Большая дорога. Д. Чумацкий Шлях. 2. Что находится в центре Галактики? А. Звездное скопление. Б. Черная дыра. В. Красный гигант. Г. Белый карлик. Д. Черная туча. 3. Галактический год определяет: А. Период вращения Галактики вокруг оси. Б. Период обращения Солнца во круг центра Галактики. В. Расстояние, которое пролетает свет до галактики в созвездии Андрдмеды. Г. Период обращения Галактики вокруг центра мира. Д. Период обращения звезд по сферической составляющей вокруг центра Га лактики. 4. Термин «Великая стена» в астрономии означает: А. Зарождение новых звезд и планетных систем. Б. Огромное скопление га лактик в направлении созвездий Девы и Волосы Вероники. В. Оборонитель ные сооружения, которые создали галактические цивилизации. Г. Скопление газа и пыли в межгалактическом пространстве. Д. Скопление неизвестного темного вещества, поглощающего свет далеких галактик. 5. Согласно закону Хаббла, все галактики разлетаются в разных направлениях. Что находится в центре этого расширения? А. Земля. Б. Наша Галактика. В. Галактика М31 в созвездии Андромеды. Г. Скопление галактик в созвездии Девы. Д. Центра не существует, посколь ку в безграничной Вселенной отсутствуют центр и окраины. 6. Какие звезды входят в плоскую составляющую Галактики? 7. Какие структуры имеют галактики? 8. Как при помощи закона Хаббла можно измерить расстояние до галактик? 9. Могут ли происходить столкновения галактик? 10. Вычислите, с какой скоростью удаляется от нас галактика, если свет от нее летит к Земле 4 . 10 8 л. Диспуты на предложенные темы 11. Как, по вашему мнению, можно было бы объяснить фотометрический пара докс безграничной и бесконечной Вселенной: «Если Вселенная бесконечна, то почему ночью темно?» Задания для наблюдений 12. Определите, через какие созвездия проходит Млечный Путь. 13. Отыщите, в каком направлении находится центр Галактики. В какое время восходит и заходит центр Галактики в день вашего рождения? 14. Найдите на небе Туманность Андромеды (галактика в созвездии Андроме ды). В какое время года эту галактику видно всю ночь? Ключевые понятия и термины: Великая стена, галактическое ядро, галактический год, звездные скопления, раз лет галактик, спиральные галактики, постоянная Хаббла. 125
- 126. Изучив этот параграф, мы узнаем: о Большом Взрыве, с которого началось расширение Вселенной; могут ли существовать параллельные миры; о возможных сценариях эволюции Вселенной в будущем. Большой Взрыв и возраст Вселенной Астрономические исследования, которые проводились в XX в., помогли астрономам понять суть разбегания галактик, которое сви детельствует о том, что сама Вселенная не остается постоянной во времени — она меняет свои параметры. Если расстояние между га лактиками сейчас увеличивается, то раньше они находились ближе друг к другу. При помощи постоянной Хаббла можно подсчитать, когда все галактики до начала расширения могли находиться в одной точке. Моментом начала расширения Вселенной стал Большой Взрыв, который связан с возрастом Т Вселенной: Т = 1/Н. По современным данным, постоянная Хаббла H~70 км/(с . Мпк), то есть Большой Взрыв мог произойти примерно 15 млрд лет назад. Если учесть, что возраст нашей Галактики не может быть больше возраста самых старых шаровых звездных скоплений, которые су ществуют уже более 13 млрд лет, то эту цифру можно считать ниж ней границей возраста нашей Вселенной. На первый взгляд кажется, что для построения теории эволюции Вселенной большое значение имеет определение места Большого Взрыва. Если бы Боль шой Взрыв был процессом, напоминающим взрыв бомбы, то можно было бы определить место этого со бытия. В действительности расширение Вселенной включает не только разлет самих галактик относи тельно космического пространства, но и изменение параметров самой Вселенной. Иными словами, га лактики не летят относительно остальной Вселенной, потому что сама Вселенная тоже расширяется. Таким образом, конкретного места, где произошел Большой Взрыв, во Вселенной не существует, равно как нет центра, от которого удаляются галактики. Главные эры в истории Вселенной Вселенная в начале существования имела столь маленькие раз меры, что тогда не было ни галактик, ни звезд и даже еще не суще- 126
- 127. §16. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ ствовали элементарные частицы. Плотность и темпе ратура новорожденной Вселенной достигали таких фантастических значений, что ученые не могут опре делить, в каком состоянии при этом находилась ма терия. Этот начальный момент рождения Вселенной называют сингулярностью (от лат.— единственный). Затем плотность и температура Вселенной начали снижаться и стали образовываться элементарные ча стицы, атомы и галактики. Всю историю нашей Вселенной можно разделить на четыре эры — адронная, лептонная, излучения и вещества (см. таблицу). Сингулярность — на чальный момент за рождения Вселенной, когда плотность и тем пература материи до стигали чрезвычайно больших значений Эра Вселенной Вещества Излуче ния Лептон ная Адрон ная Сингу лярность Возраст Вселенной, лет 1,5 . 10 1 0 1,2 . 10 10 10 10 6 . 10 9 5 . 10 9 10 9 3 . 10 8 10 8 3 . 10 5 300 с 10 с 10 -4 с 10 -7 с 10 -10 с 10 -32 с 10 -43 с 0 Фазы эволюции Современная эпоха Возникновение жизни на Земле Формирование Солнечной системы Образование первых звезд Образование нашей Галактики Квазары Появление облаков водорода и гелия Образование атомов водорода и гелия Формирование вещества. Вселенная ста новится нейтральной и темной Конец эры излучения Образование ядра Дейтерия и Гелия Электроны и позитроны в состоянии те плового равновесия с излучением Разделение электромагнитного и слабого взаимодействия Образование нейтронов и протонов Отделение сильного взаимодействия Отделение сил гравитации Все четыре фундаментальные силы объ единены в единую. Размеры Вселенной приближаются к нулю Темпера тура, К 2,7 3 10 10 4 10 10 1015 10 27 1032 Плот ность, кг/м 3 5 . 10 -27 10 -26 10 -13 10 -10 10 16 10 95 Для любознательных С философской точки зрения между элементарными частицами и электро магнитными волнами нет существенной разницы, ибо все сущее в природе есть ма терия. Но с физической точки зрения принципиальная разница между этими вида ми материи состоит в том, что скорость элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов), из которых образованы звезды, планеты и, наконец, мы с вами, никог да не сможет достигнуть скорости света, в то время как кванты электромагнитных волн никогда не смогут иметь скорость, меньшую чем скорость света. 127
- 128. §16. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ Реликтовое фоновое излучение Те кванты электромагнитного излучения, которые оторвались от элементарных частиц в эру излучения, доходят до нас со всех сто рон и отвечают электромагнитному излучению черно го тела с температурой 2,7 К (рис. 16.1). В начале су ществования кванты имели большую энергию, поэтому излучение происходило в высокочастотной части спек тра электромагнитных волн в гамма-диапазоне. Со вре менем гамма-кванты теряли энергию, поэтому длина электромагнитных волн увеличивалась, и через 105 лет после Большого Взрыва максимум излучения прихо дился уже на видимую часть спектра — тогда моло дая Вселенная действительно выглядела ярким огнен ным шаром и была похожа на взрыв ядерной бомбы. Через 10 млн лет максимум излучения уже находил ся в инфракрасной части спектра, а через 14 млрд лет средняя температура Вселенной уменьшилась до 2,7 К, поэтому сейчас максимум излучения находится в ра диодиапазоне на волне длиной 1 мм. Такое излучение поступает на Землю отовсюду, его интенсивность и частота не зависят от направ ления, и это свидетельствует о том, что средняя температура Вселен ной повсеместно одинакова. Интересно, что еще 60 лет назад уроже нец города Одессы Г. Гамов (США) предсказал существование горячей ранней Вселенной, но зарегистрировали эти реликтовые электромаг нитные волны только в 1965 г. Рис. 16.1. Чем дальше от Земли находится космический объект, тем более молодым мы его видим, потому что свет от него достигает поверхности Земли че рез миллиарды лет. На границе видимой части Вселенной с расстоя ния 10 млрд св. лет по ступает излучение, ко торое образовалось во времена Большого Взрыва. На расстоянии 5 млрд св. лет мы ви дим квазары, из кото рых позже сформиру ются галактики 128
- 129. §16. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ Будущее Вселенной Гравитационное взаимодействие вещества в бу дущем может уменьшить скорость расширения Вселен ной. Оказывается, если средняя плотность Вселенной имеет критическое значение кг/м 3 , а постоян ная Хаббла Н 70 км/(c . Мпк), расширение может происходить вечно. Расчеты показывают, что будущая судьба нашей Вселенной зависит от значения настоя щей средней плотности относительно критической плотности . Могут быть три сценария будущего раз вития событий: Рассмотрим эти модели возможной эволюции нашего мира: 1. Если средняя плотность Вселенной , то галактики будут разлетаться вечно, и в будущем тем пература фонового излучения постепенно будет сни жаться, приближаясь к абсолютному нулю, а максимум излучения со временем будет смещаться в сантиметро вый и метровый диапазоны электромагнитных волн (рис. 16.2). Такую Вселенную называют открытой, она не имеет границ в пространстве и может существовать вечно, постепенно превращаясь в ничто. 2. Если в космосе окажется значительная скры тая масса и средняя плотность будет , тогда рас ширение Вселенной через некоторое время прекратит ся. Такую Вселенную называют закрытой — она не имеет предела в пространстве, но имеет начало и ко нец во времени (рис. 16.3). Через несколько миллиардов лет разбегание га лактик может остановиться, а затем начнется сжатие Вселенной, потому что гравитационная сила заставит галактики сближаться. Сближение галактик приведет Рис. 16.2. В открытой Вселенной справедлива неэвклидова геометрия, когда сумма углов в тре угольнике меньше 180° Рис. 16.3. Для закрытой Вселенной справедлива неэвклидова геометрия, когда сумма углов в тре угольнике больше 180° Рис. 16.4. Эволюция за крытой Вселенной. Та кой мир увеличивается до определенных макси мальных размеров, по сле чего галактики нач нут сближаться. Начало и конец такой Вселен ной имеют бесконечно большую температуру и плотность 129
- 130. §16. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ Рис. 16.5. В геометрии Эвклида параллельные прямые не пересекают ся, а сумма углов в тре угольнике равна 180° к трагическим последствиям для живых организмов, поскольку энергия фонового излучения и температура Вселенной будут расти (рис. 16.4). Небо загорится сна чала красным цветом, а потом станет синим. Темпера тура возрастет настолько, что все живые существа по гибнут, потом исчезнут звезды, планеты, элементарные частицы и Вселенная вновь превратится в вещество с чрезвычайно высокой плотностью. 3. Существует также вероятность того, что сред няя плотность Вселенной равна критической плотно сти . В этом случае безграничная и бесконечная Вселенная имеет нулевую кривизну, и для нее спра ведлива геометрия Эвклида (рис. 16.5). Галактики будут разлетаться вечно, температура Вселенной бу дет вечно приближаться к абсолютному нулю. Этот сценарий эволюции интересен еще и тем, что при нем общая энергия Вселенной остается равной нулю: . То есть если считать потенциальную энергию притяжения отрицательной, а кинетическую энергию движения — положительной, то Вселенная могла возникнуть из ничего в физическом вакууме как удивительное возмущение, поэтому со временем она тоже может превратиться в ничто. Для любознательных Современные наблюдения подтверждают существование во Вселенной скры той массы (так называемой темной материи), которая сосредоточена в телах, излу чающих незначительную энергию в виде электромагнитных волн — черные дыры, пульсары, нейтринное излучение, гравитационные волны и т. д. Астрономы, занима ющиеся проблемами космологии, предложили гипотезу о существовании нового класса элементарных частиц, которым дали такое условное название — Слабо Вза имодействующие Массивные Частицы (СВМЧ). Если гипотезы о скрытой Массе под твердятся, то средняя плотность Вселенной может быть больше критической и бу дущая эволюция Вселенной будет происходить по сценарию, который изложен в п. 2 (рис. 16.3, 16.4). Такая Вселенная напоминает сказочную птицу Феникс, кото рая периодически сгорает, а затем вновь возрождается из пепла. Последние исследования движения звезд в галактиках подтверж дают гипотезу о существовании класса элементарных частиц со скры той массой, получивших название темная материя. Кроме того вы явлено, что в межгалактическом пространстве существуют сильные поля неизвестной природы, которые астрономы назвали темная энер гия. Новейшие гипотезы предполагают, что в наше время с помощью телескопов мы наблюдаем только 5% материи Вселенной, а 95% при ходится на загадочные поля темной энергии и темной материи, кото рая не излучает электромагнитные волны. 130
- 131. §16. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ Выводы Эволюция Вселенной началась с Большого Взрыва чрезвычайно плотной материи 13—20 млрд лет назад, когда произошло загадочное расширение кос мического пространства. Об этом свидетельствует разбегание галактик, которое продолжается до сих пор, и содержание гелия (25%) и водорода (75%) в веще стве. Чрезвычайно высокую температуру молодой Вселенной подтверждает ре ликтовое электромагнитное излучение. Будущее Вселенной зависит от средней плотности вещества, которое взаимодействует по закону всемирного тяготения. Возможно, что Вселенная является открытой и бесконечной, и ее расширение будет продолжаться вечно. Но если средняя плотность вещества во Вселенной больше, чем некоторая критическая величина, то такая Вселенная может перио дически расширяться, а потом сжиматься. Тесты 1. Что означает в астрономии термин «Большой Взрыв»? А. Взрыв новой звезды. Б. Взрыв ядра галактики. В. Столкновение галактик. Г. Момент, когда началось расширение космического пространства. Д. Момент, когда образовались галактики. 2. Когда произошел Большой Взрыв? А. 10 лет назад. Б. 2011 лет назад. В. 1 млн лет до н. э. Г. 1 млрд лет до н. э. Д. 15 млрд лет до н. э. 3. Когда образовалась Солнечная система? А. 6000 лет до н. э. Б. 100000 лет до н. э. В. 1 млн лет до н. э. Г. 5 млрд лет до н. э. Д. 15 млрд лет до н. э. 4. В каком месте космоса произошел Большой Взрыв? А. В центре Вселенной. Б. В ядре нашей Галактики. В. В скоплении галактик в созвездии Девы. Г. Везде, потому что галактики не летят относительно остальной Вселенной, ведь само пространство тоже расширяется. Д. В дру гом измерении за пределами нашей Вселенной. 5. Чему равна средняя температура Вселенной? А. 0°С. Б. 0 К. В. -270 °С. Г. 2,7 К. Д. -300 °С. Е. 300 К. 6. С какого события началось расширение Вселенной? 7. О чем свидетельствует реликтовое излучение Вселенной? 8. Галактика находится на расстоянии 100 млн ПК. Вычислите, сколько лет летит свет от нее до Земли. Диспуты на предложенные темы 9. Какая судьба закрытой Вселенной? 10. Что ждет в будущем открытую Вселенную? 11. С какой скоростью удаляется от нас галактика, находящаяся на расстоянии 109 св. лет от Земли? Задания для наблюдений 12. Можно ли с помощью школьного телескопа увидеть, что галактики от нас удаляются? Ключевые понятия и термины: = Большой Взрыв, открытая Вселенная, закрытая Вселенная, параллельные миры, пульсирующая Вселенная, реликтовое фоновое излучение, сингулярность.
- 132. §17. Жизнь во Вселенной Изучив этот параграф, мы узнаем: почему во Вселенной появляются живые существа, которые хотят по нять смысл своего существования; могут ли существовать цивилизации за пределами Солнечной си стемы; как можно обмениваться данными с инопланетными цивилизациями. Антропный принцип Жизнь является одной из великих тайн Вселенной. Мы видим на Земле различные живые организмы, но ничего не знаем о других формах жизни на чужих планетах. Все живые существа производят потомство, а потом рано или поздно умирают, то есть превращают ся в неживую материю. Но на Земле еще никто не наблюдал непо средственного зарождения живых биологических кле ток из неживых химических соединений. По этому поводу английский биолог Ф. Крик сказал: «Мы не видим пути от первобытного бульона до естественно го отбора. Можно сделать вывод, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует лишь о нашем незнании». Астрономические наблюдения показывают, что параметры орбиты Земли, ее масса, радиус и хими ческий состав наиболее благоприятны для существо вания жизни. Для этого также необходимо стабильное Солнце, которое в течение нескольких миллиардов лет почти не меняло своей светимости. Расширение Вселенной тоже способствует существованию жиз ни, ибо в фазе сжатия смертельное коротковолно вое фоновое излучение могло бы уничтожить все живое (см. § 16). Возникает такое впечатление, что все сущее в космосе существует для того, чтобы на Земле жили разумные люди. Так была сформули рована философская основа космологии — антроп ный принцип (от греч. Антропос — человек): «Мы наблюдаем Вселенную такой, какой мы ее видим, поскольку мы существуем». То есть, возможно, где- то в космосе существуют миры с другими параме трами, но там нет разумных существ, которые могли бы описать свое бытие и передать эту информацию из прошлого в будущее. . ' . ' - . : • ' • ; " . " ' • '• : . - • «Считать Землю единственным оби таемым миром было бы также нелепо, как утверждать, что на огромном засеянном поле мог бы вырасти только один колосок» Митридор (III век до н. э). Антропный принцип. Мы наблюдаем Все ленную такой, какой мы ее видим, посколь ку мы существуем. Открытая система обменивается с окру жающей средой энер гией и информацией
- 133. §17. ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ Жизнь как открытая система Рассмотрим жизнь как открытую систему, которая хранит и пе редает информацию из прошлого в будущее. Общие характеристики живых существ можно описать с помощью некоторых терминов теории сложных систем, поведение и эволюцию которых изу чает новая наука синергетика. Все живые существа с помощью генов создают огромный объем информации, которая сохраняется и передается потомкам (рис. 17.1). Объем информации, который сохраняет только одна клетка живого организма, оценивается в бит. Для сравнения напомним, что объем информации, которую хранят современные компьютерные диски, в миллиарды раз меньше. Биологическая эволюция жи вых организмов происходит в направлении увеличения объема информации, который передается потомкам. На пример, общая масса всех живых существ 100 млн лет назад была не меньше, чем масса современных живых существ, но объем новой информации, которой владеет наша цивилизация, в миллиарды раз больше, чем ин формация, хранившаяся в огромных телах динозавров. Гигантский скачок в увеличении потока информации состоялся 100 000 лет назад с появлением разумного че ловека — homo sapiens. Биологи доказывают, что тог да на Земле параллельно существовали два вида разум ных людей — кроманьонцы и неандертальцы. Хотя неандертальцы были физически более развитыми, но во время ледникового периода они погибли. Выжили кро маньонцы, которые научились не только добывать и со хранять огонь, но и передавать свои знания потомкам, то есть передавать информацию из прошлого в будущее не только при помощи генов. Почти все животные для обмена информацией пользуются звуками, но только разумный человек для хранения информации стал при менять различные знаки и символы, которые со вре менем превратились в письменность. Благодаря ком пьютерам на современном этапе развития нашей цивилизации тоже наблюдается значительное увеличе ние потока информации, которой владеет человечество. При помощи АМС мы начали собирать информацию о далеких планетах и приступили к непосредственным поискам внеземных форм жизни. Вероятность суще ствования жизни на других телах Солнечной системы достаточно мала (см. § 7—11), поэтому поиски внезем ных цивилизаций сейчас ведутся вблизи других звезд. Синергетика — нау ка, изучающая зако ны и эволюцию слож ных систем Живой организм — сложная открытая си стема, состоящая из химических и биоло гических соединений, которая имеет высо кую степень упорядо ченности и сохраняет огромный объем ин формации о себе и окружающем мире Объем информации одной клетки живо го существа 10 22 — 10 23 бит, человека — 10 25 бит Рис. 17.1. Цепь ДНК, с помощью которой за писывается и хранится информация о живом организме 133
- 134. §17. ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ Проблемы контактов с внеземными цивилизациями Контакты между цивилизациями прежде всего означают обмен информацией. Если во Вселенной существуют другие цивилизации и они имеют определенный объем информации о своей части Галак тики, то обмен информацией между ними может привести к обще му росту информации, поэтому такой процесс, согласно теории био логической эволюции, можно считать прогрессивным. Контакты с другими цивилизациями могут быть трех типов: 1. Обмен информацией при помощи электромагнитных волн или другого излучения, которое может быть носителем информа ции (рис. 17.2). 2. Обмен информацией при помощи автоматических систем, управлять которыми будут компьютеры и ро боты. 3. Встреча живых представителей инопла нетных цивилизаций. На данном этапе развития земной цивили зации мы можем осуществить контакты первого типа — современные радиотелескопы способны передавать и принимать информацию от цивили зации интеллектуального уровня, подобного на шему, с расстояния 1000 св. лет. На таком рас стоянии существуют миллионы звезд, поэтому отыскать подходящий объект для наблюдения очень сложно. В 1967 г. впервые зарегистриро вали периодические сигналы, поступавшие из межзвездного пространства, их назвали пульса рами. Анализ сигналов показал, что пульсары никакого отношения к инопланетным цивилиза циям не имеют, такие периодические сигналы излучают нейтронные звезды (см. § 14). От Земли распространяется своеобразная ин теллектуальная волна, которую излучают земные радиостанции. Если учесть, что первые радиостан ции начали передавать информацию в космос 100 лет назад, то эти «разумные» сигналы распро странились только на расстoяние 100 св. лет от Земли. Если на таком расстоянии находится ци вилизация подобного нашему интеллектуального уровня, получившая наши сигналы, то ответ при дет к нам не раньше чем через 200 лет. То есть установление контактов между цивилизациями с помощью электромагнитных волн может проис ходить достаточно длительное время. Рис. 17.2. Радиотеле скоп, при помощи кото рого можно принимать радиосигналы от вне земных цивилизаций Рис. 17.3. Первая попыт ка установить контакт второго типа. На золотой пластинке высечены фи гуры людей и координа ты Земли в Галактике. До ближайшей звезды АМС «Пионер» (США) будет лететь 105 лет 134
- 135. §17. ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ Налаживание контактов второго типа с помощью автоматиче ских систем тоже требует длительного времени. Например, космиче ские аппараты «Пионер-10, 11» и «Вояджер-1, 2» через миллионы лет выйдут за пределы Солнечной системы и будут самостоятельно обра щаться вокруг центра Галактики. Не исключена возможность, что эти аппараты станут спутниками какой-либо звезды. Если АМС не сгорят болидом в атмосфере чужой планеты, то инопланетяне смогут прочи тать информацию, которую несут эти аппараты (рис. 17.3). Возможные последствия контактов с чужими цивилизациями Сейчас создана международная организация SETI (англ. Search of Extra Terrestrial Intelligence — поиски внеземного разума), кото рая разработала широкую программу поиска жизни во Вселенной. Возникает вопрос: для чего мы ведем поиски инопланетных цивили заций? Может ли контакт с внеземным разумом принести нам какую- либо дополнительную информацию и поможет ли выжить человече ству в этом мире? Дело в том, что наша цивилизация сейчас находится в своеобраз ной изоляции, ибо Земля по многим параметрам является также за крытой системой. Согласно законам эволюции сложных систем, в закрытой системе растет беспорядок и уни чтожается информация, поэтому закрытая система об речена на смерть. Примером такой своеобразной дегра дации закрытой системы являются обычные тепловые процессы — в изолированной колбе выравниваются температура и плотность. Интересно, что этот закон роста беспорядка в за крытой системе действует и в человеческом обществе, только в этом случае мерилом служит не температу ра, а информация. Человек является существом обще ственным, и он может оставаться человеком, только общаясь с другими людьми. Возникают и предостережения о возможных по следствиях контактов с цивилизацией, которая нахо дится на высшей ступени развития. Если чужая циви лизация по интеллекту намного опередила землян, то она может уже осуществлять межзвездные перелеты. То есть контакты третьего рода могут произойти и на Земле, если к нам прилетят чужие космические кораб ли. В этом случае возникнет главная проблема: захотят ли разумные существа из других миров общаться с на ми? Контакты между цивилизациями могут привести к конфликтам — своеобразным «звездным войнам», и мы должны быть готовы к этому. Контакты третьего рода — непосред ственная встреча землян с инопланетя нами, которая может случиться на любой планете или в косми ческом пространстве Помните! Общая ин формация двух разум ных людей после их общения возрастает только в случае, если они имеют разную ин формацию. Рост ин теллекта нашей циви лизации состоит в том, что люди не являются копиями своих роди телей, так же как и каждая нация и го сударство вносят свой вклад в рост могуще ства человечества 135
- 136. §17. ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ Прогнозы эволюции земной цивилизации Время существования отдельной цивилизации влияет на опре деление общего количества цивилизаций в Галактике. Например, в Средневековье, когда средняя продолжительность жизни человека была 20—30 лет, население Земли не превышало 100 млн человек, и только в конце XX в., когда значительно возрос средний возраст людей, население Земли достигло 6 млрд. Сколько времени может су ществовать отдельная цивилизация, мы не знаем, потому что наблю даем только за развитием человечества. Существу ют несколько научных оценок продолжительности жизни цивилизации. Согласно «пессимистичной» точки зрения, средняя продолжительность суще ствования отдельной изолированной цивилизации не превышает 10000 лет. Соответственно этой шка ле земная цивилизация приближается к смерти, ибо человечество столкнулось с целым рядом про блем, которые могут привести к катастрофическим последствиям. Ученые, имеющие не такую безнадежную точку зрения, счита ют, что все эти проблемы в будущем могут быть решены, поэтому «оптимистичная» оценка продолжительности существования нашей цивилизации - 100 000 лет. То есть по этой шкале наша цивилиза ция только зарождается, и в будущем нас ждет расцвет, освоение межзвездного пространства и встречи с инопланетными цивилизаци ями. Для этой цели в школах и изучают астрономию — науку о та инственном и удивительном космосе. Основные причины, которые могут вызвать гибель нашей ци вилизации: 1. Экологическая катастрофа, которая может возникнуть вслед ствие загрязнения окружающей среды промышленными отходами предприятий. 2. Изменение климата на Земле из-за увеличения количества углекислого газа в атмосфере, усиления парникового эффекта и по вышения температуры. 3. Увеличение озоновых дыр в атмосфере может вызвать повы шение доли ультрафиолетового излучения Солнца, которое достигает поверхности Земли, вследствие чего могут пбгибнуть флора и фауна нашей планеты (кроме живых организмов в воде и под поверхностью Земли). 4. Катастрофическое столкновение с астероидом или кометой может привести к резкому снижению температуры и возникновению нового ледникового периода. 5. Цивилизация может погубить себя атомной войной. 6. Интеллектуальная деградация человечества. 136
- 137. §17. ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ ВЫВОДЫ : Жизнь — это сложная открытая система химических и биологических со единений с высокой степенью упорядоченности, которая сохраняет огромный объем информации о себе и окружающем мире. Земля по многим параметрам является закрытой системой, поэтому проблема выживания человечества связа на с освоением космоса. Наша цивилизация сделала первые шаги в этом направ лении — мы начали исследование Солнечной системы. Но у человечества могут возникнуть проблемы при попытке установить контакт с чужими цивилизация ми, находящимися на высшей, по сравнению с нами, степени интеллекта. Тесты 1. Синергетика — это новая наука, изучающая: А. Космическое право. Б. Эволюцию сложных систем. В. Мировую экономи ку. Г. Мировую экологию. Д. Экологию космоса. 2. Контакты с инопланетными цивилизациями определяют: A. Звездные войны с чужими цивилизациями. Б. Обмен информацией. B. Спортивные соревнования с инопланетянами. Г. Торговлю с инопланетя нами. Д. Передачу информации инопланетянами. 3. Как расшифровывается аббревиатура НЛО? А. Нелетающие легкие объекты. Б. Неопознанные легкие объекты. В. Неопо знанные летающие объекты. Г. Новые летающие объекты. Д. Сверхновые ле тающие объекты. 4. Над какой проблемой работает Международная организация SETI? A. Поиски жизни во Вселенной. Б. Поиски жизни за пределами Вселенной. B. Поиски радиосигналов от других цивилизаций. Г. Поиски инопланетных космических кораблей. Д. Поиски марсиан. 5. Какую роль играют космические катастрофы в эволюции жизни на Земле? 6. Какие существуют основания для поисков жизни за пределами Солнечной системы? 7. Сколько времени современные космические корабли должны лететь до бли жайшей звезды? 8. Можно ли с помощью современных радиотелескопов установить контакт с внеземными цивилизациями? 9. Что означает выражение «обычная жизнь»? Какие другие формы жизни мог ли бы существовать во Вселенной? 10. Космический корабль стартовал с поверхности Земли с третьей космической скоростью (см. § 5). Вычислите, сколько времени будет продолжаться полет к границе Солнечной системы, находящейся на расстоянии 100000 а. е. от Солнца. (Указание: можно считать, что корабль летит по огромному эллипсу, когда в перигелии расстояние до Солнца 1 а. е., в афелии — 100000 а. е.) Диспуты на предложенные темы . 11. Какие идеи для осуществления межзвездных перелетов вы можете пред ложить? 12. Могут ли быть НЛО космическими аппаратами чужих цивилизаций? 13. Каково ваше мнение относительно возможности существования компьютер ной цивилизации? Ключевые понятия и термины: ' Антропный принцип, контакты между цивилизациями, космическая эволюция, си нергетика, смерть цивилизации. 137
- 138. § 1. Звезда Вега находится на расстоянии 26,4 св. лет от Земли. Сколь ко лет летела бы к ней ракета с постоянной скоростью 30 км/с? Дано: D = 26,4 св. лет с = 300 000 км/с V=30 км/с t = ? Решение: Скорость ракеты в 10000 раз меньше ско рости света, поэтому космонавты будут лететь к Веге в 10000 раз дольше. § 2. В полдень ваша тень в два раза меньше, чем ваш рост. Определи те высоту Солнца над горизонтом. Дано: H=2L h = ? Решение: Высота Солнца h измеряется углом между плоско стью горизонта и направлением на светило. Из прямо угольного треугольника, где катетами является L (длина тени) и Н (ваш рост), находим § 3. На сколько отличается местное время в Симферополе от киевского времени? Дано: = 30° = 2 ч 00 мин = 34°06' = 2 ч 16 мин Решение: Зимой = 16 мин. То есть зимой местное время в Сим ферополе опережает киевское время. Вес ной стрелки всех часов в Европе перево дят на 1 час вперед, поэтому киевское время опережает на 44 мин местное вре мя в Симферополе. Астероид Амур движется по эллипсу с эксцентриситетом 0,43. Может ли этот астероид столкнуться с Землей, если его период обращения вокруг Солнца 2,66 года? Дано: T = 2,66 года е = 0,43 Решение: Астероид может встретиться с Землей, если он пересечется с орбитой Земли, то есть если рас стояние в перигелии а. е. 138
- 139. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО АСТРОНОМИИ 1. При помощи третьего закона Кеплера определяем большую полу ось орбиты астероида: где =1 а. е.— большая полуось орбиты Земли; =1 год — пе риод обращения Земли вокруг Солнца. Ответ. Астероид Амур не пере сечет орбиту Земли, поэтому не может столкнуться с Землей. § 5. На какой высоте над поверхностью Земли должен обращаться гео стационарный спутник, который висит над одной точкой Земли? Дано: Т=1 сутки H=? Решение: 1. При помощи третьего закона Кеплера опреде ляем большую полуось орбиты спутника: где = 380 000 км — большая полуось орбиты Луны; = 1 сутки — период обращения спутника вокруг Земли; =27,3 суток — период обращения Луны вокруг Земли. = 41900 км. 2. Ответ. Геостационарные спутники обращаются с запада на восток в плоскости экватора на высоте 35500 км. § 6. Могут ли космонавты с поверхности Луны невооруженным глазом увидеть Черное море? Дано: D = 1000 км L = 380 000 км Ответ. Решение: Определяем угол, под которым с Луны вид но Черное море. Из прямоугольного треугольни ка, в котором катетами являются расстояние до Луны и диаметр Черного моря, определяем угол: Если в Украине день, то с Луны Черное море можно уви деть, потому что его угловой диаметр больше разрешающей способности глаза. 2.
- 140. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО АСТРОНОМИИ § 8. На поверхности какой планеты земной группы вес космонавтов будет наименьшим? Решение: где G — гравитационная постоянная; М — масса планеты, R — радиус планеты. Наименьший вес будет на поверхности той планеты, где меньше ускорение свободного падения. Из формулы g=GM/R2 определяем, что на Меркурии g=3,78 м/с2 , на Венере g=8,6 м/с2 , на Марсе g=3,72 м/с2 , на Земле g=9,78 м/с2 . Ответ. Вес будет наименьший на Марсе — в 2,6 раза меньше, чем на Земле. § 12. Когда, зимой или летом, в окно вашей квартиры в полдень попа дает больше солнечной энергии? Рассмотрите случаи: А. Окно вы ходит на юг. Б. Окно выходит на восток. Решение: А. Количество солнечной энергии, которую получает единица по верхности за единицу времени, можно посчитать с помощью формулы: » где q — солнечная постоянная; i — угол падения солнечных лучей. Стена расположена перпендикулярно к горизонту, поэтому зимой угол падения солнечных лучей будет меньше. Итак, как ни странно, зимой в окно вашей квартиры от Солнца поступает больше энергии, чем летом. Б. Если окно выходит на восток, то солнечные лучи в полдень ни когда не освещают вашу комнату. § 13. Определите радиус звезды Вега, которая излучает в 55 раз больше энер гии, чем Солнце. Температура поверхности 11000 К. Какой вид имела бы эта звезда на нашем небе, если бы она светила на месте Солнца? Дано: L = 55 T=11000 К R=? Решение: Радиус звезды определяют с помощью форму лы (13.11): где =695 202 км — радиус Солнца; =6000°С — температура по верхности Солнца. Ответ. Звезда Вега имеет радиус в 2 раза больший, чем у Солнца, поэтому на нашем небе она имела бы вид синего диска с угло вым диаметром 1°. Если бы Вега светила вместо Солнца, то Земля получала бы в 55 раз больше энергии, чем теперь, и температура на ее поверхности была бы выше 1000 °С. Таким образом, условия на нашей планете стали бы не при годными для любых форм жизни. 140
- 141. Лабораторная работа № 1 Определение географической широты на местности с помощью Полярной звезды Цель: научиться ориентироваться на местности с помощью Поляр ной звезды. Оборудование: транспортир, штатив, нить, отвес. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Для ориентировки на поверхности Земли применяют горизонталь ную систему координат, в которой основной плоскостью является мате матический горизонт и отвесная линия. Отвесную линию OZ (рис. 2.4) определяют с помощью обычного отвеса, подвешенного на нитке. Мате матический горизонт является плоскостью, которая перпендикулярна к отвесной линии в точке наблюдения. Плоскость небесного меридиана (рис. 2.5) совпадает с географическим меридианом на поверхности Земли и пересекает горизонт в точках N (север) и S (юг), а точки пересечения небесного экватора и горизонта — Е (восток) и W (запад). Линия NS пересечения плоскостей меридиана и горизонта называется полуденной линией. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ 1. Найдите на небе с помощью кар ты звездного неба Полярную звез ду в созвездии Малой Медведицы (см. рис. 2.8). 2. Прикрепите на штативе транспор тир с отвесом (рис. Л. 1.1). 3. Направьте транспортир на Поляр ную звезду так, чтобы ваш глаз находился на одной прямой с ли нейкой транспортира и звездой. Плоскость транспортира при этом будет находиться в плоскости ме ридиана. 4. Измерьте угол между отметкой 90° на транспортире и нитью от веса, который равен географиче ской широте места наблюдения. 5. Отметьте на поверхности Земли направление полуденной линии. Рис. Л.1.1. Определение географической широты при помощи Полярной звезды. Угол между плоскостью горизонта и направлени ем на полюс мира равняется географиче ской широте места наблюдения 141
- 142. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ 6. Определите географическую долготу и широту вашего населен ного пункта при помощи карты или прил. 5. 7. Результаты запишите в таблицу. Географические координаты населенного пункта на карте Широта Долгота , Географическая широта места наблюдения 8. Сравните и . 9. Сделайте вывод. Лабораторная работа № 2 Определения географической долготы при помощи солнечных часов Внимание! При выполнении этой работы нельзя смотреть на Солнце без специального светофильтра. Цель: научиться ориентироваться на местности при помощи сол нечных часов. Оборудование: бумага, ножницы, клей. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ При измерении времени сохранились две системы отсчета — звезд ное время и солнечное время (§ 3). В повседневной жизни мы используем только солнечное время, которое можно определить при помощи солнеч ных часов — обычной палочки, тень от которой определяет местное вре мя. Местный полдень — 12 часов по местному времени, наступает при верхней кульминации Солнца, когда тень от палочки самая короткая. Разница географических долгот места наблюдения и Киева опре деляется разницей между местным временем и киевским временем : (1) Внимание! Весной, в последнее воскресенье марта, все часы в Ев ропе переводят на один час вперед, поэтому летом киевское время будет опережать местное время всех городов Украины. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ 1. Сделайте солнечные часы. Для этого перенесите их выкройку (рис. Л.2.1) на лист бумаги, разрежьте отдельные полосы и склейте их, совмещая соответствующие буквы на них, как показано на рис. Л.2.2. 142
- 143. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Рис. Л.2.1. Части солнечных часов. Пунктиром показаны линии, по которым надо разрезать выкройку 2. Установите часы в направлении на юг так, чтобы в мо мент кульминации Солнца «зайчик» от дырочки по казывал 12 ч. Это будет соответствовать 12 ч по мест ному времени ( ). 3. Вычислите 4. Найдите долготу места наблюдения по форму-, ле (1). 5. Результаты измерений и вычислений запишите в таб лицу: Согнуть на нужной широте Время киевское местное Долгота , Киева места наблюдения Рис. Л.2.2. Готовые сол нечные часы 6. Найдите географическую долготу места наблюдения вашего насе ленного пункта с помощью географической карты или прил. 5. 7. Сравните и 8. Сделайте вывод. 143
- 144. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ' . ' Лабораторная работа №3 Солнечный свет — источник энергии* Внимание! При выполнении этой работы нельзя смотреть на Солнце без специального светофильтра! Цель: измерить количество солнечной энергии, которую полу чает определенный участок поверхности Земли в течение определенного времени. Оборудование: карандаш, линейка. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Количество энергии, которую получает поверхность Земли от Солнца, зависит от угла падения солнечных лучей i: (1) где 1,4 кВт/м 2 — солнечная постоянная, или количество энергии, ко торую получает единица поверхности Земли, если солнечные лучи падают перпендикулярно к поверхности, то есть при i=0° (см. § 12). На широте 50° (Харьков, Киев, Львов) количество энергии, которую получает поверх ность за долгий летний день, достигает 7 (кВт • ч)/м 2 =25,2•10 6 Дж/м 2 , что больше даже той солнечной энергии, которую получает поверхность на экваторе, где круглый год продолжительность дня составляет 12 часов. Для определения количества энергии, которую получает опреде ленный участок площадью S за промежуток времени t, будем считать, что угол падения солнечных лучей за это время остается постоянным: (2) ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ 1. Измерьте длину карандаша Н и тени L от солнечного света. Для это го установите карандаш перпендикулярно к плоскости стола. Най дите угол падения солнечных лучей по формуле: 2. Определите площадь школьного двора S. 3. Вычислите по формуле (2) энергию, которую получает от Солнца школьный двор в течение 1 часа. 4. Результаты запишите в таблицу: Н, м L, м i,° S, м 2 Е, к В . ч 5. Определите, сколько времени сможет светиться электрическая лампа мощностью 100 Вт, если на ее работу будет потрачено 50% получен ной солнечной энергии. 6. Сделайте вывод. * Эту работу можно выполнить дважды в год — зимой и осенью или весной. 144
- 145. 1. ГРЕЧЕСКИЙ АЛФАВИТ 2. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ЗНАКИ И СИМВОЛЫ 3. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ А. На Земле 1 метр ~1/40 000 000 длина меридиана 1 английская миля =1609 м 1 морская миля = 1852 м 1 верста = 500 саженей = 1066 м 1 сажень = 3 аршина = 2,13 м 1 фут = 12 дюймов =30,48 см Б. В космосе 1 а. е. ~1,496 • 10 11 м 1 парсек~206265 а. e . « 3 • 10 16 м 1 св. год ~ 9,46 • 10 15 м 145
- 146. ПРИЛОЖЕНИЯ 4. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Гравитационная постоянная Скорость света в вакууме Постоянная Планка Масса протона Масса нейтрона Масса электрона Постоянная Авогадро Универсальная газовая постоянная Постоянная Больцмана Постоянная Стефана-Больцмана Количество секунд в тропическом году 1 астрономическая единица 1 световой год 1 парсек Диаметр Галактики Расстояние до галактики М31 (Андромеда) Постоянная Хаббла 5. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ КООРДИНАТЫ ГОРОДОВ УКРАИНЫ № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Город Винница Днепропетровск Донецк Житомир Запорожье Ивано-Франковск Киев Кировоград Луганск Луцк Львов Николаев Одесса Полтава Ровно Симферополь Сумы Тернополь Ужгород Харьков Херсон Хмельницкий Черкассы Черновцы Чернигов Широта 49° 14' 48° 30' 47° 59' 50° 16' 47° 58' 48° 56' 50° 27' 48° 30' 48° 35' 50° 45' 49° 51' 46° 58' 46° 28' 49° 36' 50° 35' 44° 58' 50° 53' 49° 34' 48° 38' 50° 00' 46° 38' 49° 24' 49° 27' 48° 17' 51° 29' Долгота градусы 28° 30' 35° 05' 37° 45' 28° 40' 35° 15' 24° 45' 30° 30' 32° 15' 39° 15' 25° 15' 24° 02' 32° 00' 30° 45' 34° 34' 26° 00' 34° 06' 34° 45' 25° 30' 22° 15' 36° 13' 32° 30' 27° 00' 32° 00' 25° 57' 31° 18' часы 1 ч 54 мин 2 ч 20 мин 2 ч 31 мин 1 ч 55 мин 2 ч 21 мин 1 ч 39 мин 2 ч 02 мин 2 ч 09 мин 2 ч 37 мин 1 ч 41 мин 1 ч 36 мин 2 ч 08 мин 2 ч 03 мин 2 ч 18 мин 1 ч 44 мин 2 ч 16 мин 2 ч 19 мин 1 ч 42 мин 1 ч 29 мин 2 ч 25 мин 2 ч 10 мин 1 ч 48 мин 2 ч 08 мин 1 ч 44 мин 2 ч 05 мин Разность между местным и киевским временем зимой -0 ч 06 мин +0 ч 20 мин +0 ч 31 мин -0 ч 05 мин +0 ч 21 мин -0 ч 21 мин +0 ч 02 мин +0 ч 09 мин +0 ч 37 мин -0 ч 19 мин -0 ч 24 мин +0 ч 08 мин +0 ч 03 мин +0 ч 18 мин -0 ч 16 мин +0 ч 16 мин +0 ч 19 мин -0 ч 18 мин -0 ч 31 мин +0 ч 25 мин +0 ч 10 мин -0 ч 12 мин +0 ч 08 мин -0 ч 16 мин +0 ч 05 мин летом -1 ч 06 мин -0 ч 40 мин -0 ч 29 мин -1 ч 05 мин -0 ч 39 мин -1 ч 21 мин -0 ч 58 мин -0 ч 51 мин -0 ч 23 мин -1 ч 19 мин -1 ч 24 мин -0 ч 52 мин -0 ч 57 мин -0 ч 42 мин -1 ч 16 мин -0 ч 44 мин -0 ч 41 мин -1 ч 18 мин —1 ч 31 мин —0 ч 35 мин -0 ч 50 мин -1 ч 12 мин -0 ч 52 мин -1 ч 16 мин -0 ч 55 мин 146
- 147. ПРИЛОЖЕНИЯ 6. ДАТЫ НОВОЛУНИЙ 2001—2057 гг. Месяц Год 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031 2032 2033 2034 2035 2036 2037 2038 2039 2040 2041 2042 2043 2044 2045 2046 2047 2048 2049 2050 2051 2052 2053 2054 2055 2056 2057 I 25 13 2 21 10 29 19 8 26 15 4 23 11 1, 31 20 10 28 17 6 II 23 12 1 20 9 28 17 6 25 14 3 22 10 — 19 8 26 15 4 III 25 14 3 21 10 29 19 7 26 15 4 23 11 1, 31 20 9 28 17 6 IV 23 12 2 20 9 28 17 6 25 14 3 21 10 29 18 7 26 16 5 V 23 12 1, 31 20 9 28 17 6 25 14 3 21 10 29 18 7 26 15 4 VI 21 10 29 18 7 26 15 4 23 12 2 19 8 27 16 5 24 13 3 VII 21 10 29 18 7 26 15 4 23 12 1, 31 19 8 27 16 5 23 13 2 VIII 19 8 27 16 5 24 13 2 21 10 28 17 6 25 14 3 22 11 1, 31 IX 18 7 26 15 4 23 12 1 20 9 27 16 5 24 13 2 21 10 29 X 17 6 25 14 3 22 11 1, 30 19 8 26 15 4 23 12 1, 31 20 9 28 XI 16 5 24 13 2 21 10 29 18 7 25 14 3 22 11 29 19 8 27 XII 15 4 23 12 1, 31 20 9 28 17 6 24 13 3 22 11 29 18 7 26 7. ЗАТМЕНИЯ СОЛНЦА, КОТОРЫЕ МОЖНО БУДЕТ НАБЛЮДАТЬ В УКРАИНЕ (2011—2061 гг.) Дата 04.01.2011 20.03.2015 21.06.2020 10.06.2021 25.10.2022 29.03.2025 12.08.2026 02.08.2027 Время макс. 10-49 12-07 8-51 14-14 12-35 14-38 21-03 12-33 Фаза Киев 0.81 0.62 0.04 0.13 0.62 0.01 0.86 0.37 Вид Ч. П. К. К. Ч. Ч. П. П Место полной фазы — Арктика Азия Арктика * — Азия Африка 1 Дата 21.06.2039 11.06.2048 14.11.2050 12.09.2053 05.11.2059 30.04.2060 20.04.2061 06.07.2187 Время макс. 21-22 17-00 16-20 11-45 9-58 13-49 5-35 10-44 Фаза Киев 0.92 0.90 0.70 0.40 0.50 0.57 0.97 0.98 Вид К. К. Ч. П. К. П. П П Место полной фазы Европа Европа — Азия Африка Азия Одесса, Крым Харьков, Черкассы П — полное затмение, К — кольцевидное затемнение, Ч — частичное затмение. Время максимальной фазы затмения приводится по киевскому времени.
- 148. ПРИЛОЖЕНИЯ 8. ЗАТМЕНИЯ ЛУНЫ, КОТОРЫЕ МОЖНО БУДЕТ УВИДЕТЬ В УКРАИНЕ (2011—2062 гг.) Дата 15.06.11 10.12.11 25.04.13 28.09.15 07.08.17 27.07.18 21.01.19 17.07.19 Время 23-13 16-30 23-09 5-46 21-19 23-22 7-10 00-31 Фаза полное полное 0,01 полное 0,25 полное полное 0,65 Дата 19.08.35 12.02.36 07.08.36 06.06.39 30.11.39 18.11.40 16.05.41 08.11.41 Время 4-08 00-13 5-50 21-54 18-55 21-02 3-42 6-30 Фаза 0.10 полное полное 0.84 0.94 полное 0.05 0.17 Дата 12.02.55 17.06.57 11.12.57 06.06.58 30.11.58 05.04.61 25.03.62 18.09.62 Время 0-42 5.25 2-52 22-12 5-14 0-54 5-34 21-29 Фаза полное 0.76 0.92 полное полное полное полное полное 9. САМЫЕ ЯРКИЕ ЗВЕЗДЫ № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Название Сириус Канопус Арктур Ригель Вега Капелла Ригель Процион Бетельгейзе Ахернар Гадар Альтаир Альдебаран Антарес Спика Поллукс Фомальгаут Денеб Регул Кастор Созвездия Болып. Пес Киль Волопас Кентавр Лира Возничий Орион Мал. Пес Орион Еридан Кентавр Орел Телец Скорпион Дева Близнецы Южн. Рыба Лебедь Лев Близнецы -1,46 -0,75 -0,05 -0,01 +0,03 +0,08 +0,13 +0,37 +0,47 +0,51 +0,63 +0,76 +0,86 +0,91 +0,91 +1,14 +1,19 +1,25 +1,35 +1,58 Расстоя ние ПК 2,7 55,0 И Д 1,3 8,1 13,7 250,0 3,5 150,0 40,0 150,0 5,1 20,0 130,0 80,0 11,0 . 7,7 500,0 27,0 16,0 Светность 22 20000 113 1,4 55 151 50000 7,6 13000 870 10000 11,3 160 6300 § 2400 37 17 70000 200 50 Температура К 11000 7500 5000 5800 11000 5600 12000 7000 3000 15000 20000 9000 4500 3000 25000 5000 10000 10000 13000 11000 Радиус 1,3 85,0 14,0 1,2 2,0 13,0 52,0 2,0 426,0 4,0 8,0 1,4 21,0 300,0 2,6 4,5 1,4 90,0 2,8 2 148
- 149. ПРИЛОЖЕНИЯ . • • . • • . . • - - . • • : : • • • • • • . • • • • • ••• . - • . • • • . • • . - • - • . • • - • . • • . . • • • - . • . - V - -'.:• :••• • : : ' : - • ' Г - ; - •' • • - • • • . : : , / v • : • ' . • ' ••.•.• •'. '. : . - - • • - • • • - • • • • • • • • • • • . • • • . • - . . - • • : - • . - . • . • • . - . . .;• . • . , . - . ; . . . • . . . • ; • . . - . . • . . . : . , . - , . . • • • • . •. - . • , . - . • , . • . . - , , , , ; • • . • . , • , , . • • ; . , - . . . . 10. АСТРОБЛЕМЫ Древние геологические структуры, связанные с падением крупных метеоритов Название Садбери (Sudbury) Вредефорт (Vredefort Ring) Попигайская Бовтышская Оболонская Терновская Иллинецкая Билыливская Ротмистровская Зеленогайская Зеленогайская Адрес Канада, Онтарио Юж. Африка Сев. Сибирь, Россия с. Бовтышка, Черкасская обл. с. Оболонь, Семеновский р-н, Полт. обл. с. Веселые Терны, Кировоградская обл. м. Иллинци, Винницкая обл. с. Билыливка, Житомирская обл. с. Ротмистровка, Черкасская обл. с. Зеленый, Кировоградская обл. с. Зеленый, Кировоградская обл. Диам., км 200 200 100 31 20 15 6,5 5,5 2,2 0,8 0,7 Возраст 1,8 млрд л. 2 млрд л. 65 ± 1,2 млн л. 169 ± 7 млн л. 280 ± 10 млн л. 400 ± 30 млн л. 165 ± 6 млн л. 130 ± 10 млн л. 60 млн л. 60 млн л. 11. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ОБСЕРВАТОРИИ УКРАИНЫ И МИРА Название Главная астрономическая обсерватория НАНУ http://www.mao.kiev.ua Киевская астрономическая обсерватория http://www.observ.univ.kiev.ua Крымская астрофизическая обсерватория http://www. crao.crimea.ua Львовская астрономическая обсерватория http://astro.franko.lviv.ua Николаевская астрономическая обсерватория http://www.mao.nikolaev.ua Одесская астрономическая обсерватория http://www.astro-observatory.odessa.ua Полтавская гравиметрическая обсерватория pgo@poltava.ukrtel.net Ужгородская лаборатория космических исследований http://www.univ.uzhgorod.ua Харьковская астрономическая обсерватория. С 2002 г. Институт астрономии http://astron.kharkov.ua Харьковский институт радиоастрономии http://www.nbuv.gov.ua/institutions/rai Город Киев Киев Научный Львов Николаев Одесса Полтава Ужгород Харьков Харьков Страна Украина Украина Украина Украина Украина Украина Украина Украина Украина Украина Год основания 1944 1845 1908 1769 1821 1871 1926 1957 1806 1985 149
- 150. ПРИЛОЖЕНИЯ • • • ••-. • . . - . . • • • • • • • • . • • • . - . •. • . : • - • • ; • . : . • • : • • • • • . • • • . : • . . • • • . . . • . . • . . • . • • . - . • ; - • . : ••;.:••• •..••••'.••• • . - ; < : • Окончание таблицы Парижская астрономическая обсерватория http://www.obspm.fr Гринвичская астрономическая обсерватория http://www.nmm.ac.uk Вильнюсская астрономическая обсерватория http://www.astro.ff.vu.lt Краковская астрономическая обсерватория http://www.oa.uj .edu.pl Пулковская астрономическая обсерватория http://www.gao.spb.ru Ондржейовская астрономическая обсерватория http: / / www. expats. cz /ondreio vobservatory Маунт-Вильсон обсерватория http://www.mtwilson.edu Астрофизическая обсерватория в Виктории http://www.nrc-cnrc.gc.ca Абастуманская астрономическая обсерватория http://www.genao.org Бюроканская астрономическая обсерватория http: //www. aras. am/bao. html Специальная астрофизическая обсерватория http://www.sao.ru Астрономическая обсерватория Мауна-Кеа http://www.ifa.hawaii.edu/mko Американская астрономическая обсерватория http: / /www. lco. cl Европейская астрономическая обсерватория http: / /www. eso. org Шемахинская астрономическая обсерватория http://www.shao.az Научный институт космического телескопа Хаббла http://www.stsci.edu/hst/ Париж Лондон Вильнюс Краков С.-Петер бург Прага Калифор ния Бр. Ко лумбия Абасту- мани Бюрокан Сев. Кав каз Гавайи Лас-Кам- панес Ла-Силла Шемаха Франция Англия Литва Польша Россия Чехия США Канада Грузия Армения Россия США Чили Чили Азербай джан США 1671 1675 1753 1795 1839 1898 1904 1910 1932 1946 1966 1970 1976 1976 1960 2010 12. ХРОНОЛОГИЯ КОСМИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ 15 000000000 г. до н. э. зарождение Вселенной — Большой Взрыв. 5000000000 г. до н. э. зарождение Солнечной системы 4 500000000 г. до н. э. образование Земли. 3 500000000 г. до н. э. начало архейской эры в шкале геологического летоис числения. 1900000000 г. до н. э. на Земле появились первые водоросли. 500000000 г. до н. э. начало палеозойской эры — появились первые споровые растения. 400000000 г. до н. э. на Земле возникли первые рыбы. 230000000 г. до н. э. начало мезозойской эры — появились хвойные растения. 200000000 г. до н. э. начало юрского периода — возникли первые пресмыкаю щиеся и птицы. 150
- 151. ПРИЛОЖЕНИЯ 67000000 г. до н. э. начало кайнозойской эры — появились цветковые расте ния и млекопитающие. 65000000 г. до н. э. катастрофическое столкновение Земли с астероидом, когда погибли динозавры. 4000000 г. до н. э. появились австралопитеки — человекообразные обезьяны, предки человека. 2000000 г. до н. э. начало антропогенного периода — возникли умные люди. 200000 г. до н. э. появились неандертальцы — подвид человека разумного. 40000 г. до н. э. появились кроманьонцы — возможные предки европеоидной расы. 5509 г. до н. э. 1 сентября начало эры летоисчисления от «сотворения мира» по календарю Византии. 5508 г. до н. э. 1 марта начало летоисчисления от «сотворения мира» по кален дарю Руси. 4713 г. до н. э. 1 сентября начало отсчета летоисчисления юлианского периода. 4200 г. до н. э. в Египте создан солнечный календарь, основанный на тропиче ском году. 3761 г. до н. э. 7 октября начало летоисчисления от «сотворения мира» по ев рейскому календарю. 2100 г. до н. э. первые упоминания о метеоритах в древнеегипетском папирусе. 2000 г. до н. э. построен Стоунхендж — древняя астрономическая обсерватория в Англии. 600 г. до н. э. в Вавилоне создали солнечные часы. 555 г. до н. э. Пифагор впервые определил параметры земного шара и ввел сло во космос для обозначения Вселенной. 433 г. до н. э. Метон вычислил цикл для отсчета тропического года и синоди ческого месяца. 350 г. до н. э. Эвдокс впервые создал карту звездного неба, на которой есть эклиптика и зодиак. 330 г. до н. э. Аристотель сформулировал строение геоцентрической системы мира. 250 г. до н. э. Архимед создал астрариум — часы, которые воспроизводят види мое на небе движение Солнца и планет. 240 г. до н. э. Эратосфен впервые измерил дугу меридиана для определения ра диуса Земли. 222 г. до н. э. Аристарх Самосский выдвинул идею о гелиоцентрической систе ме мира. 125 г. до н. э. Гиппарх составил каталог звезд и обозначил их яркость звездны ми величинами. 46 г. до н. э. римский император Юлий Цезарь ввел календарь, который в его честь назвали юлианским. 140 г. н. э. К. Птолемей написал книгу «Большое математическое построение астрономии» (Мeгисте). 525 г. Дионисий Малый ввел летоисчисление от воплощения (рождения) Иисуса Христа. 622 г. 16 июля начало исламской эры летоисчисления — эра Гиджра. 988 г. князь Владимир ввел на Руси юлианский календарь. 1054 г. вспышка Сверхновой в созвездии Тельца, о которой есть упоминание в летописях Руси. 1091 г. первые упоминания о полете болида в летописях Руси. 1330 г. Уильям Оккам сформулировал принцип, известный как «Бритва Оккама». 151
- 152. ПРИЛОЖЕНИЯ 1483 г. напечатана первая книга по астрономии украинского автора Юрия Дро- гобыча (Котермака). 1543 г. Николай Коперник сформулировал принципы гелиоцентрической систе мы мира. 1546 г. Тихо Браге доказал, что кометы располагаются дальше, чем Луна. 1582 г. введен Григорианский календарь (новый стиль) в некоторых странах Европы. 1600 г. Джордано Бруно был сожжен на костре инквизиции за идею жизни в космосе. 1609 г. Галилео Галилей провел первые, наблюдения Луны и планет с помощью телескопа. 1609 г. Иоганн Кеплер сформулировал законы движения планет — 1-й и 2-й законы Кеплера. 1644 г. Рене Декарт выдвинул первую гипотезу об образовании Солнечной си стемы. 1647 г. Ян Гевелий составил первую подробную карту Луны. 1659 г. открыто кольцо Сатурна. 1676 г. Рене Ремер с помощью спутников Юпитера впервые определил скорость света. 1687 г. Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения. 1728 г. Джеймс Брадлей определил скорость света с помощью аберрации света от звезд. 1740 г. Эдмонд Галлей предсказал возвращение в 1758 г. кометы, которую поз же назвали в его честь. 1761 г. Михаил Ломоносов (Россия) открыл атмосферу Венеры во время ее про хождения по диску Солнца. 1766 г. Иоганн Тициус открыл закон планетных расстояний, который назвали правилом Боде-Тициуса. 1772 г. Петр Паллас в Сибири нашел метеорит весом около 500 кг. 1781 г. Уильям Гершель открыл Уран. 1782 г. Джон Гудрайк выдвинул предположение, что звезда Ачголь ( Пресея) является двойной звездной системой. 1783 г. Уильям Гершель открыл движение Солнца в направлении созвездия Геркулес. 1801 г. Джузеппе Пиацци открыл первый астероид — Цереру. 1814 г. Йозеф Фраунгофер обнаружил многочисленные линии поглощения в спек тре Солнца. 1826 г. Генрих Ольберс сформулировал фотометрический парадокс — парадокс Ольберса. 1839 г. Василий Струве в Пулковской обсерватории (Россия) одним из первых измерил параллакс Беги ( Лиры) 1842 г. Христиан Допплер доказал существование эффекта изменения длины волны в акустике и оптике. 1846 г. Иоганн Галле открыл планету Нептун на основе вычислений Адамса и Леверье. 1848 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) ввел абсолютную шкалу температур. 1851 г. Жан Фуко при помощи маятника доказал вращение Земли вокруг оси. 1852 г. Рудольф Вольф ввел индекс солнечной активности, который называют числом Вольфа. 1859 г. Норман Погсон ввел коэффициент для определения звездных величин — формулу Погсона. 152
- 153. ПРИЛОЖЕНИЯ 1860 г. Джеймс Максвелл создал теорию электромагнитного поля. 1864 г. Эдуард Рош доказал наличие нижнего предела для орбиты естественно го спутника планеты — предел Роша. 1865 г. Г. Рихтер выдвинул гипотезу о занесении на Землю жизни из космо са — панспермия. 1865 г. Рудольф Клаузиус сформулировал парадокс «тепловой смерти Вселен ной». 1871 г. Джон Рэлей опубликовал труд о поляризации света и объяснил голу бой цвет неба. 1877 г. Асаф Холл открыл Фобос и Демос — спутники Марса. 1881 г. Джованни Скиапарелли открыл на Марсе «каналы». 1884 г. Гринвичский меридиан по международному соглашению принято за на чальный. 1900 г. Макс Планк открыл энергию кванта и закон излучения черного тела. 1902 г. Константин Циолковский (Россия) вывел формулу для определения ско рости ракеты. 1908 г. упал Тунгусский метеорит (Сибирь, Россия). 1913 г. Генри Рессел построил диаграмму спектр-светимость звезд. 1917 г. Альберт Эйнштейн согласно общей теории относительности построил статическую модель Вселенной. 1919 г. Гуго Зелигер сформулировал гравитационный парадокс бесконечной Все ленной. 1919 г. создан международный астрономический союз-МАС. 1922 г. Александр Фридман (РСФСР) построил нестатическую модель Вселен ной. 1925 г. введено Всемирное время для вычисления астрономических эфемерид. 1925 г. Джордж Хейл открыл 22-летнюю периодичность активности Солнца. 1929 г. Юрий Кондратюк (СССР) опубликовал книгу «Завоевание межпланет ных пространств». 1929 г. Эдвин Хаббл открыл разбегание галактик. 1930 г. Клайд Томбо открыл Плутон. 1931 г. Карл Янский открыл радиоизлучение Млечного Пути. 1932 г. Лев Ландау (СССР) теоретически доказал возможность существования нейтронных звезд. 1934 г. Франк Дайсон предложил для энергосбережения создать сферу вокруг Солнца. 1946 г. Джордж Гамов предложил горячую модель Вселенной. 1950 г. в Париже основана Международная федерация астронавтики. 1950 г. Ян Оорт выдвинул гипотезу о существовании «облака комет» за орби той Плутона. 1957 г. начало космической эры: в СССР создан первый в мире искусственный спутник Земли. 1958 г. создано НАСА (национальное космическое агентство) (США). 1958 г. Ван Аллен обнаружил радиационные пояса вокруг Земли. 1959 г. АМС «Луна-1» (СССР) стала первой искусственной планетой Солнечной системы. 1959 г. АМС «Луна-3» (СССР) впервые в мире сфотографировала обратную сто рону Луны. 1961 г. Юрий Гагарин (СССР) впервые в мире облетел Землю на космическом корабле «Восток». 1963 г. создана СЕТИ (SETI) — организация для поисков жизни во Вселенной. 153
- 154. ПРИЛОЖЕНИЯ 1963 г. открыты квазары — внегалактические источники радиоизлучения. 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли реликтовое излучение. 1966 г. АМС «Луна-9» (СССР) осуществила первую в мире мягкую посадку на поверхность Луны. 1967 г. АМС «Венера-4» (СССР) достигла атмосферы Венеры. 1967 г. Открыты пульсары (нейтронные звезды). 1969 г. на Луну совершил посадку пилотируемый космический корабль «Апол лон-1» (США). 1969 г. в Австралии упал метеорит Марчесон, в котором нашли остатки ДНК. 1970 г. АМС «Луна-16» (СССР) в автоматическом режиме доставила на Землю грунт с Луны. 1970 г. АМС «Венера-7» (СССР) сделала мягкую посадку на поверхность Ве неры. 1972 г. старт АМС «Пионер-10» (США) — первый полет за пределы Солнечной системы. 1972 г. введено международное атомное время — TAI. 1974 г. Первая попытка отослать сообщение инопланетянам радиотелескопом Аресибо (США). 1975 г. АМС «Венера-9, 10» (СССР) получили телевизионное изображение по верхности Венеры. 1975 г. создано Европейское космическое агентство — ESA. 1976 г. АМС «Викинг-1, 2» (США) передали телевизионные изображения по верхности Марса. 1976 г. Андрей Северный (СССР) открыл колебания солнечной фотосферы с пе риодом 160 мин. 1977 г. старт аппаратов «Вояжер» (США), которые полетят к звездам с посла нием к инопланетянам. 1977 г. Открыто кольцо Урана во время затмения планетой слабой звезды. 1981 г. в США смонтирован радиоинтерферометр «Очень большая антенна» из 27 антенн диаметром 25 м. 1984 г. открыто кольцо Нептуна при покрытии планетой слабых звезд. 1985 г. в Харькове создан радиоастрономический институт (РИ НАНУ). 1986 г. АМС «Вега-1, 2» (СССР) впервые было получено изображение ядра ко меты Галлея. 1987 г. вспышка Сверхновой в соседней галактике «Магелланово Облако», ко торую было видно невооруженным глазом. 1991 г. основана Украинская астрономическая ассоциация. 1992 г. создано Национальное космическое агентство Украины. 1993 г. создан УРАН — украинский радиоинтерферометр НАНУ. 1993 г. создан Союз научных обществ России — СНТР. 1993 г. смонтирован крупнейший в мире телескоп-дефлектор с диаметром зеркала 10 м (Гавайи, США). 1994 г. падение на Юпитер кометы Шумейкера-Леви. 1995 г. выведен на орбиту первый украинский искусственный спутник Земли «Сич». 2012 г. АМС «Вояджер-1» пролетит гелиопаузу — предел межзвездной и сол нечной плазмы. 13333 г. Северный полюс мира вследствие прецессии будет находиться вблизи звезды Вега в созвездии Лира. 154
- 155. 1.11. 500 с; 4 ч 10 мин; 1,5 года. 3.11. , где Н — высота палочки; L — длина тени. 3.12. Во Львове, потому что Львов находится на западе Украины. 4.11. Указание. Используя третий закон Кеплера, определяем большую по луось орбиты астероида: а = 2,8 а. е. Астероид может столкнуться с пла нетой, так как в перигелии он приближается к Солнцу = 0,8 а. е. и пересекает орбиту Земли. 4.12. Такая комета может существовать, так как ее период обращения во круг Солнца и большая полуось орбиты соответствуют третьему за кону Кеплера. 4.13. Р = mg; g = GM/R 2 ; R = GmM/R 2 ; где т — масса космонавта; М — мас са планеты; R — радиус планеты; G — гравитационная постоянная. 5.8. 7746 м/с. 5.9. Из формулы (5.3) а 5000 км , поэтому такой спутник существо вать не может. 6.9. 4,8 млрд км 32 а. е. Указание. Необходимо вычислить, с какого расстояния угловой диаметр Солнца будет меньше 1': , где D — линейный диаметр Солнца; r — расстояние до Солнца. 6.10. Можно увидеть, так как угловой диаметр крупных кратеров больше Г. 8.12. На Меркурии , на Марсе ; на Венере 8.13. 0,52 а. е.; 2,52 а. е. 9.9. 4,2 а. е.; 6,2 а. е. 10.10. Указание. Р = mg, где g — ускорение свободного падения, которое можно определить при помощи закона всемирного тяготения: • , где G — гравитационная постоянная; R, р — соответ ственно радиус и плотность спутника. 10.11. На поверхности Ио 11.13. 12.11. Указание. Если крыша черного цвета и ее поверхность расположена параллельно горизонту, то Q = qStcos i, где q — солнечная постоянная; i — угол падения солнечных лучей; S — площадь крыши; t — время. 13.11. r = 8,33 пк = 27,1 св. л 14.12. 1,9 • 10 9 г/см 3 . 14.13. 2,2 • 10 -8 г/см 3 . 15.10. 8600 км/с. Указание. Используйте закон Хаббла, для этого расстоя ние необходимо выразить в парсеках. 16.10. 326000000 лет. 16.11. 21000 км/с. 17.10. 16000000 лет. 155
- 156. Абсолютная звездная величина 104 Антропный принцип 132 Апогей 41 Астероид 9, 86 Астроблемы 89 Астрология 11 Астрометрия 11 Астрономическая едини ца 9, 10, 33 Астрономия 5, 13 Астрофизика 11, 46 Атмосфера Солнца 98 Афелий 32 Болид 89 Большой Взрыв 126 В Венера 9, 67 Верхняя кульмина ция 17 Видимая звездная вели чина 49 Високосный год 27 Возмущение 36 Воображаемая небесная сфера 15 Время 22 — всемирное 22, 23 — киевское 23 — местное 23 — поясное 22, 23 Вселенная 5, 10, 123 Всемирного тяготения закон 7, 35 Галактики 9, 118, 121 — Великая стена 122 — галактический год 120 — разлетание галак тик 123 — спиральные рука ва 120 — типы галактик 121 Галлилеевы спутники 81 Гелиоцентрическая си стема мира 7 Географический по люс 15 Геостационарный спут ник 41 Геоцентрическая систе ма мира 6 Главная последователь ность звезд 107, 108 Горизонт 16 Граница Роша 82 Гринвич 15 д Диаграмма Герцшпрунга— Рессела (спектр- светимость) 107 Затмение Луны 59 Затмение Солнца 59 Звездная величина 103 Звездное время 21 Звезды 5, 102 — белый карлик 107 — красный гигант 107 — красный карлик 107 — красный сверхги гант 108 — нейтронная 114 — Новая 112 — переменная 111 — протозвезда 110 — Сверхновая 112 — цефеида 115 Звездные ассоциа ции 118 ' Звездные скопления 118 Земля 9, 57 — атмосфера 57 — магнитное поле 58 — строение 58 Земной экватор 15 Зенит 16 Зодиак 23 И Искусственный спутник Земли 8, 41 К Календарь 28 — григорианский 28 — юлианский 27, 28 Квазары 10, 127 Кеплера законы 32, 33, 34 Кольца планет 82, 83 Комета 9, 91 Контакты между циви лизациями 135 Конфигурации пла нет 30 Корпускулярное излуче ние 100 Космические скоро сти 111 Космологические пара доксы 123 Космология 11, 126 Космонавтика 8, 39 Космос 5 Круг склонения 18 Кульминация 17 Л Линия изменения дат 23 Луна 59 — фазы 59, 60 — физические усло вия 60, 61 — узлы лунной орби ты 60 м Магнитная буря 100 Марс 9, 69 Меркурий 65 Метеор 89 Метеорит 89 Метеорная частица 89 Млечный Путь 10, 118 Модели Вселенной 123 156
- 157. • • • • • • • • . ,-•;••:••:• :•; •• •...-• • • : • . • •:•••-.•.... . . . ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ н Надир 16 Небесная механика 11, 12 Небесная сфера 14 Небесные координаты 18 Небесный меридиан 16 Небесный экватор 15 Нептун 9, 78 Нижнее соединение 31 О Облако Оорта 92 Отвесная линия 16 Открытая система 132 П Параллакс годич ный 102 Параллакс горизонталь ный 37 Парниковый эффект 57 Парсек 103 Перигей 41 Перигелий 32 Период обращения пла нет — сидерический 31 — синодический 31 Планетарная туман ность 9, 93 Планеты 6, 56 — гиганты 56, 74 — земной группы 56, 65 — карлики 9, 86, 93 Плутон 93 Полюс мира 15 Пояс астероидов 87, 93 Пояс Койпера 87, 94 Пояса радиации 57 Прецессия 6, 25 Приливные силы 83 Противостояние 30, 31 Протуберанцы 100 Прямое восхождение 18 Пульсар 114, 134 Пятно солнечное 99 Радиус звезды 106, 107 Радиус небесной сфе ры 114 Разлетание галактик 123 Разрешающая способ ность глаза 48 Реголит 62 Реликтовое излуче ние 128 Сарос 60 Сатурн 9, 76 Светимость — звезды 104, 105 — Солнца 96 Световой год 9, 10 Северный полярный ряд 104 Сингулярность 127 Синергетика 133 Склонение 18 Скорость — круговая 40 — первая космиче ская 40 — вторая космиче ская 42 — третья космиче ская 42 Соединение 31 Созвездие 6, 14 Солнечная постоян ная 26 Солнечное время 21 Солнечный ветер 98 Солнце 96 — активность 99 — строение 97, 98 — физические характе ристики 96 Солнцестояние 26 Спектр 8 Спектральные классы 105 Спектральные наблюде ния 105 Спутники планет 9, 80—84 Стегшнь риска 88 Т Телескоп 49 — радиоинтерферо метр 51 — радиотелескоп 51 — рефлектор 49, 50 — рефрактор 49, 50 Темная материя 130 Темная энергия 130 Теория относительно сти 8, 126 Теория эволюции Все ленной 8, 127 Точка весеннего равно денствия 18, 25 Тропический год 27 Тропосфера 57 У Увеличение телескопа 50 Уран 9, 77 Ф Фотоумножитель 51 Фраунгоферовы линии 8 X Хаббла закон 123 Хаббла постоянная 123 Хромосфера 98 Хромосферная вспыш ка 100 ц Церера 86, 94 Черная дыра 114 Черное тело 47, 105 Чувствительность гла за 49 Ш Шаровые скопле ния 120 Широта географиче ская 14 Э Эклиптика 24 Экологическая катастро фа 58 Электронно-оптический преобразователь 51 Элонгация 31 Ю Юпитер 9, 75 Я Ядро галактики 119 Ядро кометы 92 157
- 158. 3 1 Предмет астрономии. 5 2 Краткая история астрономии . 6 3 Наш космический адрес 9 4 Основные разделы астрономии 11 1 Небесная сфера 14 2 Точки и линии небесной сферы 15 3 Ориентирование на местности 16 4 Экваториальная система небесных координат и карты звездного неба 18 1 Измерение времени 21 2 Солнечное время и зодиак. . . 23 3 Смена времен года на Земле. . 25 4 Календари 27 1 Конфигурации планет 30 2 Сидерический и синодический периоды обращения планет. . 31 3 Законы Кеплера 32 4 Закон всемирного тяготения.. 35 5 Определение расстояний до планет 36 1 Зарождение космонавтики. . . 39 2 Круговая скорость 40 3 Движение космических аппаратов по эллиптическим орбитам 41 4 Период обращения космического аппарата 41 5 Вторая и третья космические скорости 42 6 Практическое применение космонавтики 43 1 Что изучает астрофизика?... 46 2 Черное тело 47 3 Астрономические наблюдения невооруженным глазом 48 4 Телескопы 49 5 Электронные приборы 51 6 Радиотелескопы 51 7 Изучение Вселенной с помощью космических аппаратов. 53 1 Планеты земной группы и планеты-гиганты 56 2 Земля 57 3 Экологическая система Земли 58 4 Луна .59 5 Физические условия на Луне 60 6 Исследования Луны с помощью космических аппаратов 62 1 Планеты земной группы . . . . 65 2 Меркурий. 65 3 Венера 67 4 Марс 69 158
- 159. СОДЕРЖАНИЕ 1 Общая характеристика планет-гигантов 74 2 Юпитер 75 3 Сатурн . 76 4 Уран . . 77 5 Нептун 78 1 Спутники Марса 80 2 Спутники Юпитера. . , 81 3 «Семья» Сатурна 82 4 Кольца Сатурна 82 5 Спутники Урана 83 6 Спутники Нептуна 84 1 Астероиды 86 2 Тайны астероидов 87 3 Опасные астероиды 88 4 Метеоры и метеориты 89 5 Загадка Тунгусского метеорита 90 6 Кометы 91 7 Планеты-карлики . 93 1 Физические характеристики Солнца 96 2 Строение Солнца 97 3 Солнечная активность 99 4 Влияние солнечной активности на Землю 100 1 Измерение расстояний до звезд 102 2 Видимые звездные величины 103 3 Абсолютные звездные величины и светимость звезды 104 4 Цвет и температура звезд . . 105 5 Радиусы звезд 106 6 Диаграмма спектр-светимость. 107 1 Зарождение звезд . . 110 2 Звезда в состоянии гравита ционного равновесия 111 3 Переменные звезды 111 4 Новые и Сверхновые звезды 112 5 Пульсары и нейтронные звезды 114 6 Черные дыры 114 7 Эволюция Солнца 115 1 Строение Галактики 118 2 Центр Галактики 119 3 Обращения звезд в Галактике 120 4 Ближайшие соседи Галактики 121 5 Распределение галактик во Вселенной 121 6 Закон Хаббла 123 7 Модели Вселенной 123 1 Большой Взрыв и возраст Вселенной 126 2 Главные эры в истории Вселенной 126 3 Реликтовое фоновое излучение 128 4 Будущее Вселенной 129 1 Антропный принцип 132 2 Жизнь как открытая система 133 3 Проблемы контактов с вне земными цивилизациями . . 134 4 Возможные последствия контактов с чужими цивилизациями 135 5 Прогнозы эволюции земной цивилизации 136 138 141 145 155 156 159