Айзек Азимов - Вид с высоты

И затем мы добавляем примерно такую фразу: «Что же касается Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, то о них не может быть и речи».

Однако Карл Саган, астроном из Гарвардского университета, полностью отвергает эту точку зрения, и его недавняя статья заставила меня поразмыслить о внешних планетах.

В догалилеевское время Юпитер и Сатурн (Уран и Нептун еще не были открыты) ничем не выделялись среди других планет, разве что они двигались на звездном небе медленнее, чем другие планеты, и потому казались дальше от Земли.

Уже первый телескоп показал, что Юпитер и Сатурн — это диски, имеющие измеримые угловые размеры. Когда стало известно расстояние до этих планет, угловые размеры оказалось возможным перевести в километры, и результат привел всех в изумление. Диаметр Юпитера — 142 000 километров, а Сатурна — 120 000 километров, в то время как экваториальный диаметр Земли — 12 800 километров.

Внешние планеты оказались гигантами!

С открытием Урана в 1781 году и Нептуна в 1846 году появились еще две довольно внушительные планеты, так как экваториальный диаметр Урана равен 50 000 километров, а Нептуна (по последним измерениям) — примерно 45 000 километров.

Разница в размерах между этими планетами и нашим плотным маленьким миром станет еще больше, если мы сравним их объемы, так как они пропорциональны диаметру, возведенному в куб. Другими словами, если диаметр тела A в 10 раз больше диаметра тела В , то объем тела А в 1000 раз больше объема тела В . Приняв объем Земли за 1, мы получим следующие относительные объемы планет-гигантов:

Юпитер … 1300

Сатурн … 750

Уран … 50 [18] Allen С. W ., Astrophysical Quantities, The Athlone Press, 1955. — Прим. ред.

Нептун … 42 [18] Allen С. W ., Astrophysical Quantities, The Athlone Press, 1955. — Прим. ред.

У каждого из гигантов есть спутники. Как угловой размер планеты, так и расстояние от нее различных спутников измерить просто. Имея эти данные, можно быстро вычислить массу главной планеты. (Так как у Венеры и Меркурия нет спутников, то мы не можем судить о их массе с такой же уверенностью, с какой мы судим, например, о массе Нептуна.)

Когда речь идет о массе, гиганты, естественно, остаются гигантами. Если взять массу Земли за 1, то массы гигантов будут равны:

Юпитер … 318

Сатурн … 95

Уран … 15

Нептун … 17

Четыре гиганта, в сущности, вобрали в себя всю массу планет солнечной системы! Масса одного Юпитера равна примерно 70 % общей массы планет. Если взять, помимо планет-гигантов, остальные планеты, все спутники, астероиды, кометы и метеориты, то они составят менее 1 % общей массы. Разумные существа других систем, изучая солнечную систему с полной беспристрастностью, сделали бы, по всей вероятности, такую запись о Солнце: «Звезда x , спектральный класс G2 , четыре планеты плюс обломки».

Но взгляните еще раз на числа, выражающие массы планет. Сравните их с числами, выражающими объемы, и вы увидите, что масса этих планет довольно мала. Другими словами, Юпитер занимает в 1300 раз больше места, чем Земля, но вещества в нем больше всего в 318 раз. Следовательно, вещество Юпитера должно располагаться более свободно, а это значит (переходя на научный язык), что плотность Юпитера гораздо меньше плотности Земли.

Если принять плотность Земли за 1, то плотность гигантов можно получить, просто разделив число, которым выражена масса, на число, которым выражен объем. Плотности гигантов таковы:

Юпитер … 0,280

Сатурн … 0,125

Уран … 0,250

Нептун … 0,425

В такой шкале плотность воды будет равна 0,182. Как видите, Нептун, самый плотный из гигантов, примерно только в 2 1/ 4раза плотнее воды, Юпитер и Уран — в 1,5 раза, а Сатурн даже менее плотен, чем вода.

Помнится, я читал книгу по астрономии, в которой автор наглядно обыграл это обстоятельство: если бы нашелся достаточно большой океан, то Сатурн плавал бы в нем, погрузившись менее чем на 3/ 4. В этой же книге была дана впечатляющая иллюстрация, на которой Сатурн вместе со всеми своими кольцами плыл по бурному морю [19] Подобную иллюстрацию можно найти в прежних изданиях «Занимательной астрономии» Я. И. Перельмана. — Прим. ред. .

Но пусть проблема плотности не вводит вас в заблуждение. Сразу возникает мысль, будто Сатурн, в общем менее плотный, чем вода, состоит из какого-то пористого материала, вроде пробки. Однако это не так, и мне нетрудно разубедить вас.

На поверхности Юпитера видны темные полосы, или ленты, и все приметные детали их движутся по диску планеты с постоянной скоростью. Проследив за этим движением, можно очень точно определить период вращения планеты; оказывается, что он равен 9 часам 50 минутам 30 секундам. Примерно так же, хотя и с большими трудностями, можно определить периоды вращения более далеких гигантов.

И вот тут отмечается удивительное явление. Период вращения, который я назвал, относится только к экваториальной части Юпитера. Другие части планеты вращаются немного медленнее: период вращения Юпитера постепенно увеличивается по мере приближения к полюсам. Уже одно это показывает, что мы смотрим не на твердую поверхность, которая вращается как целое.

Вывод совершенно ясен. Мы видим не поверхность Юпитера (и других гигантов), а облака в их атмосферах. Под облаками простирается громадная толща атмосферы, гораздо более плотной, чем наша, но все же не такой плотной, как камень или металл. Определяя объем гигантских планет, мы берем их вместе с атмосферой, и поэтому средняя плотность получается столь малой. Если бы мы учитывали только ядро планеты, находящееся под атмосферой, то плотность была бы такая же, как у Земли, и, весьма возможно, даже выше.

Но какова толщина этой атмосферы?

Будучи дальше от Солнца, чем Земля, а следовательно, и холоднее ее, гигантские планеты отличаются от Земли главным образом тем, что сохраняют гораздо большее количество легких элементов — водорода, гелия, углерода, азота и кислорода. Гелий не образует соединений, но остается газом. Водород имеется в избытке; он не только остается в газообразном состоянии, но и вступает в соединения с углеродом, азотом и кислородом и образует аммиак, метан и воду. Метан — это газ. При земной температуре аммиак тоже находится в газообразном состоянии, а вода — в жидком. Если бы температура на Земле упала до –100 градусов или ниже, как на планетах-гигантах, то и вода (гидросфера), и аммиак затвердели бы, а метан остался бы газообразным. Данные спектроскопического анализа показывают, что атмосфера Юпитера состоит на 3/ 4из водорода, на 1/ 4из гелия и, кроме того, в ней имеются обильные примеси аммиака и метана. (Вода не обнаружена, но можно предположить, что она вымерзла.)

Структура нашей планеты примерно такова: твердое каменное или металлическое центральное тело (литосфера), окруженное слоем воды (гидросфера), и все это в свою очередь окружено слоем газа (атмосфера).