КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД - автоматический космический аппарат для прямого изучения объектов Солнечной системы и пространства между ними. Космические зонды проводят исследования планет, пролетая мимо них, двигаясь вокруг них по орбите, влетая в их атмосферу или достигая их поверхности. Прямые исследования далеких объектов с помощью приборов, установленных на космических зондах, дополняются наблюдениями с поверхности Земли и ее искусственных спутников.

См. также

АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА;

РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ;

РАДИОАСТРОНОМИЯ;

ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ. Космические зонды могут сделать то, что недоступно приборам на Земле или на околоземной орбите: они могут получить изображения далеких объектов с близкого расстояния, измерить электромагнитные поля вокруг них, проделать прямой физический и химический анализ их атмосферы и поверхности, провести сейсмические исследования. В этой статье рассказано о развитии техники космического зондирования, а научные результаты описаны в статьях:

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА;

АСТЕРОИД;

КОМЕТА.

ПРЕДЫСТОРИЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ

Начиная с Луциана Самосатского (ок. 120-180) (Икаро-Мениппус и Правдивая история) люди мечтали добраться до Луны и узнать ее тайну. Что же касается планет, то сама мысль об экспедиции к ним могла возникнуть лишь после того, как стало ясно, что это не божества и не просто движущиеся огоньки на ночном небе, а тела, подобно Земле обращающиеся вокруг Солнца. Окончательно это выяснилось в эпоху И.Ньютона (1643-1727), объяснившего характер движения планет в Солнечной системе и указавшего принципиальную возможность путешествия от одной планеты к другой. Однако до середины 20 в. не было технической возможности овладеть гигантской энергией, необходимой для преодоления земного тяготения.

После произведений И.Кеплера "Сон, или Посмертное сочинение об астрономии Луны" (1634), Ф. Годвина "Человек на Луне" (1638) и С. де "Бержерака Иной свет, или Государства и империи Луны" (1657), экспедиции к Луне и планетам стали популярной литературной темой. К середине 20 в. тема космических путешествий прочно заняла место в беллетристике, на радио и в кино, вызывая у публики большой интерес. Однако вплоть до этого времени все фантазии о космических путешествиях имели одну общую деталь - во всех экспедициях присутствовал человек. Сама идея об автоматических механизмах, способных исследовать Луну и планеты, просто не приходила никому в голову. Толчок воображению мог дать только соответствующий уровень техники, который в те годы еще не позволял мечтать о беспилотных космических аппаратах. К концу Второй мировой войны многие ученые и инженеры поняли, что эра космических полетов приближается. Разработка мощных ракетных двигателей, легких и прочных материалов и конструкций, миниатюрных приборов и особенно развитие электроники сделали возможным практическое осуществление полетов вокруг Земли, к Луне и планетам.

СОЗДАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Удивительно, но для запуска полезной нагрузки на бесконечное расстояние от Земли (т.е. для ее разгона до второй космической скорости) нужно сообщить ей всего лишь вдвое большую энергию, чем для ее вывода на низкую околоземную орбиту. Поэтому первые космические зонды были запущены вскоре после первых искусственных спутников Земли.

См. также ОРБИТА. Все же необходимая для запуска зонда дополнительная энергия требует более мощной ракеты-носителя при той же полезной нагрузке либо меньшей нагрузки при той же ракете. Ограничение веса полезной нагрузки всегда довлеет над разработчиками космических зондов. Обычно для достижения необходимой зонду скорости ракету снабжают дополнительной ступенью. Разработка мощных и надежных многоступенчатых ракет - это долгое и дорогое дело. Носители для космических зондов должны быть особенно надежными, поскольку для запуска обычно отводится небольшое временное окно, когда взаимное положение Земли и намеченной цели таково, что перелет требует минимальных затрат энергии. В другое время затраты энергии возрастают настолько, что экспедиция становится практически невозможной. При полетах на Луну оптимальная ситуация возникает раз в месяц, но при полетах к далеким планетам ее нужно ждать многие месяцы и даже годы. Другой важный фактор - время перелета. Экспедиции к планетам длятся месяцы и годы. Поэтому все приборы зонда должны быть очень надежными, чтобы вблизи цели выполнить сложный комплекс исследований. Это создает нелегкие технические проблемы. Длительный перелет означает, что для питания бортовых систем электричеством нельзя использовать аккумуляторные батареи - необходим генератор, работающий без ограничений по времени. С этой целью при полетах к Луне и внутренним планетам - Меркурию, Венере и Марсу - применяют солнечные элементы. Но за орбитой Марса, вдали от Солнца, его свет слаб. Поэтому при полетах к Юпитеру и дальше используют изотопный генератор, вырабатывающий ток с помощью термоэлектрического преобразователя из тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных изотопов, например плутония-238. Слежение за космическими зондами и управление ими значительно сложнее, чем спутниками. Для определения точного положения аппарата и передачи на борт команд управления, а также для приема с его борта данных необходимы мощные передатчики и большие антенны на Земле и на самом зонде. Для этих целей были созданы глобальные системы космического радиосопровождения. Например, Сеть дальней космической связи Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) США, разработанная в Лаборатории реактивного движения (Пасадена, шт. Калифорния), служит для управления космическими зондами и объединяет станции в Голдстоуне (Калифорния), Тидбинбелла (вблизи Канберры, Австралия) и Робледо де Чевела (вблизи Мадрида, Испания). Для связи с космическими зондами используют также станции в Дармштадте (Германия), Усюде (Япония) и Евпатории (Украина).

СЕТЬ ДАЛЬНЕЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ НАСА использует станции в различных точках Земли для связи с космическими зондами.

Ограниченность скорости света приводит к временной задержке при обмене сигналами между центрами управления на Земле и космическими зондами, достигающей нескольких часов при полетах во внешние области Солнечной системы и делающей невозможным управление зондом в реальном времени. Поэтому команды передаются заранее, и при возникновении неожиданной ситуации уже бывает поздно что-либо изменить. На этот случай зонд должен быть снабжен мощным бортовым компьютером, сравнивающим реальную ситуацию с ожидаемой и вносящим коррективы в команды. В то же время в процессе перелета зонды находятся в более мягких условиях, чем спутники Земли, которые регулярно переходят с освещенной Солнцем на теневую сторону орбиты, испытывая при этом сильные колебания температуры и тепловые деформации, снижающие надежность работы аппаратуры.

ПОЛЕТЫ К ЛУНЕ

"Пионер". Разработка первых пяти космических зондов США для пролета мимо Луны и для выхода на окололунную орбиту велась в Управлении перспективных исследований Министерства обороны, а затем была передана в только что образованное НАСА. Скромные возможности носителей того времени (баллистические ракеты среднего радиуса действия "Тор" и "Юпитер") ограничивали полезный груз для полетов к Луне массой от 6 до 40 кг. Постоянная ориентация продольной оси зондов в пространстве относительно звезд поддерживалась их вращением вокруг этой оси. Первая попытка ("Пионер-0", запущен 17 августа 1958) закончилась взрывом носителя на 77-й секунде полета. Первым зондом США, достигшим второй космической скорости, был "Пионер-4", запущенный 3 марта 1959 и прошедший мимо Луны на расстоянии 60 тыс. км - слишком далеко для получения хороших фотографий. Однако он помог уточнить протяженность открытых незадолго до этого радиационных поясов Ван Аллена, окружающих Землю.

"Луна". Советский Союз тоже стремился направить зонд к Луне. После четырех неудачных попыток в 1958 2 января 1959 состоялся запуск "Луны-1", впервые достигшей второй космической скорости и прошедшей мимо Луны всего в 6000 км. 13 сентября 1959 "Луна-2" попала в Луну, ознаменовав первый прямой контакт человечества с иным небесным телом. Запущенный 4 октября 1959 зонд "Луна-3" передал по радио первые фотографии обратной стороны Луны, которая никогда не видна с Земли. В процессе фотографирования "Луна-3" очень точно сориентировалась по звездам. Как и "Пионеры", первые зонды "Луна" питались электричеством от аккумуляторных батарей, что ограничивало срок их активной жизни. Но одним качеством они существенно отличались от "Пионеров". Мощные советские носители, выводящие на орбиту значительно больший вес, позволили советским инженерам разместить приборы зонда в герметичной оболочке, заполненной нормальным атмосферным воздухом. При этом, правда, небольшая утечка воздуха могла стать гибельной для аппарата. Оборудование на борту "Пионеров" функционировало в условиях вакуума. Чтобы добиться этого, пришлось решить сложные инженерные проблемы, но зато был сэкономлен вес и созданы приборы для работы в открытом космосе.

"Рейнджер". Американские исследования Луны автоматическими станциями активизировались, когда президент Дж.Кеннеди объявил, что высадка человека на Луну состоится до 1970. Для изучения поверхности, на которую должен был опуститься корабль "Аполлон", НАСА предприняло трехэтапную программу. Первыми представителями нового поколения американских лунных зондов стали аппараты "Рейнджер". Два первых "Рейнджера" были выведены для испытания на высокую околоземную орбиту. Следующие три зонда предназначались для доставки на лунную поверхность сейсмографов; при этом с помощью твердотопливных тормозных двигателей скорость сближения зонда с поверхностью должна была уменьшиться до нескольких сотен км/ч. Последние зонды предназначались для получения детальных изображений поверхности перед тем, как они врежутся в нее на большой скорости. Таким образом, зонды "Рейнджер" имели различную конструкцию, но все они питались от солнечных батарей, были стабилизированы по трем осям и способны осуществлять тонкую коррекцию ориентации и траектории полета. Способность зонда выполнять необходимые операции, кроме прочего, зависит от возможности поддерживать заданную ориентацию. У спутников на околоземной орбите для этого датчики могут фиксировать земной горизонт и определять по нему вертикальное и горизонтальное направления. Но зонд в открытом космосе для ориентации может использовать только небесные светила, как минимум - два, причем желательно, чтобы угол на небе между ними был ок. 90°. Для "Рейнджеров" и многих последующих американских зондов основным светилом для ориентации было выбрано Солнце, а вторым - Канопус, звезда южного неба, невидимая на наших северных широтах. Ее избрали потому, что это вторая по яркости звезда небосвода, и к тому же расположенная вблизи полюса эклиптики. Для поддержания или изменения ориентации использовались маленькие сопла, выбрасывающие строго контролируемое количество газообразного азота и действующие как миниатюрные ракетные двигатели. Во время маневра, когда датчики Солнца и Канопуса теряли свои светила из виду, специальные гироскопы сохраняли нужную ориентацию и указывали необходимую коррекцию, что значительно упрощало затем поиск двух опорных светил. Поскольку "Рейнджеры" могли сохранять ориентацию, они имели остронаправленную антенну, позволявшую эффективно передавать данные на Землю. Такая способность особенно важна для зондов, исследующих далекие области Солнечной системы. Первые шесть "Рейнджеров" постигла неудача из-за отказов носителя или самого аппарата. Но седьмой, восьмой и девятый сработали нормально, попав в Луну 31 июля 1964, 20 февраля 1965 и 24 марта 1965 и передав на Землю изображения лунной поверхности, в тысячи раз превосходящие то, что прежде было получено с помощью наземных телескопов. На них не обнаружилось ничего такого, что сделало бы невозможным прилунение человека.

"Сервейор". Следующим шагом НАСА по изучению Луны стала программа "Сервейор", первоначально включавшая два типа экспериментов: мягкую посадку зонда на поверхность Луны и ее детальное фотографирование с окололунной орбиты. Для управляемого спуска аппарат "Сервейор", приближаясь к Луне, переходил от ориентации по Солнцу и Канопусу к ориентации по лунной поверхности. Бортовой радар непрерывно измерял высоту и скорость спуска, чтобы перед самым касанием включить мощный твердотопливный двигатель, который почти полностью гасил скорость. В заключение небольшие регулируемые жидкостные двигатели обеспечивали мягкую посадку на грунт. "Сервейор-1" мягко опустился в Океане Бурь 2 июня 1966 и передал фотографии и результаты измерений на Землю. Четыре (3-й, 5-й, 6-й и 7-й) из шести следующих "Сервейоров" также успешно опустились (20 апреля, 11 сентября, 10 ноября 1967 и 10 января 1968) и окончательно доказали, что для посадок на Луну экспедиций "Аполлонов" путь открыт.

"СЕРВЕЙОР - МАРС-98"

"Лунар орбитер". Для выбора мест посадки кораблей "Аполлон" НАСА срочно нуждалось в качественных изображениях больших областей лунной поверхности. Когда орбитальная программа "Сервейор" по разным причинам остановилась, НАСА начало программу с прозаическим названием "Лунар орбитер", зонды которой должны были фотографировать поверхность Луны на пленку и проявляли ее на борту. Затем негативы сканировались лучом света, и по радио изображение передавалось на Землю. Все пять аппаратов "Лунар орбитер" (запущены 10 августа и 6 ноября 1966, 5 февраля, 4 мая и 1 августа 1967) сработали нормально, дав первое детальное изображение почти всей поверхности Луны.

Другие полеты к Луне. После нескольких неудачных попыток Советский Союз посадил на Луну 3 февраля 1966 "Луну-9" и передал (за четыре месяца до "Сервейора-1") несколько панорам ее поверхности. Однако "Луна-9" представляла собой жестко садящийся аппарат с малым ресурсом и меньшими возможностями, чем "Сервейор". "Луна-10" 3 апреля 1966 стала первым спутником Луны. Затем еще множество посадочных и орбитальных аппаратов было направлено к Луне в период с 1966 по 1976. Для подготовки пилотируемых полетов на Луну Советский Союз запустил серию беспилотных кораблей ("Зонд-5, -6, -7 и -8", запущены 14 сентября и 10 ноября 1968, 8 августа 1969 и 20 октября 1970), облетевших Луну и благополучно вернувшихся на Землю. Затем были доставлены на Луну автоматические движущиеся аппараты ("Луноход-1 и -2", сели 17 ноября 1970 и 15 января 1973) и станции ("Луна-16, -20 и -24", сели 20 сентября 1970, 21 февраля 1972 и 18 августа 1976) для доставки образцов лунного грунта на Землю. Однако эти достижения померкли перед пилотируемыми полетами на Луну "Аполлонов" (1969-1972).

См. также КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ ПИЛОТИРУЕМЫЕ.

"Клементина". В совместном проекте "Клементина" НАСА и Организация стратегической оборонной инициативы (СОИ) использовали оставшуюся со времен холодной войны ракету "Титан" и не находившее применения оборудование. Запущенный 25 января 1994 аппарат несколько месяцев работал на орбите вокруг Луны, получая с помощью четырех фотокамер изображения ее поверхности в различных диапазонах спектра, от ультрафиолетового до инфракрасного.

"Лунар проспектор". Для исследования состава поверхности Луны, а также ее магнитного и гравитационного полей 7 января 1998 США вывели на окололунную орбиту легкий спутник "Лунар проспектор", который в середине 1999 упал на Луну.

МЕРКУРИЙ

Единственным зондом, исследовавшим ближайшую к Солнцу планету Меркурий, был "Маринер-10", совершивший три полета (29 марта 1974, 21 сентября 1974 и 16 марта 1975) к этой планете. Вначале зонд прошел мимо Венеры, впервые совершив гравитационный маневр, т.е. использовал ее притяжение, чтобы изменить свою орбиту и достичь Меркурия. Меркурий оказался безвоздушным, покрытым кратерами телом, очень похожим на Луну. Исследование ближайшей к Солнцу планеты было технически сложным: тепловой поток там в 6 раз больше, чем у Земли, поэтому температура на Меркурии достаточна для плавления олова, свинца и цинка. Зонд был прикрыт от Солнца экраном, а панели солнечных батарей были наклонены под косым углом к солнечным лучам. Меркурий делает три оборота вокруг оси в течение двух орбитальных периодов, а каждый его оборот вокруг Солнца длится 88 сут. Поэтому одни солнечные сутки на нем продолжаются два меркурианских года, или 176 земных суток. К сожалению, "Маринер-10" совершал подлеты к Меркурию точно через такие же интервалы времени и каждый раз мог фотографировать лишь одно и то же освещенное Солнцем полушарие планеты. Недавние исследования поверхности Меркурия с помощью наземных радаров показали, что в его полярных областях на дне глубоких кратеров, куда никогда не попадает солнечный свет, могут быть залежи льда, точь-в-точь как на Луне. Это еще одна причина, требующая новых экспедиций к Меркурию.

ВЕНЕРА

Венера, ближайшая от Земли планета по направлению к Солнцу, была очевидной целью для первых космических зондов. Привлекали сравнительно небольшое расстояние и время перелета всего в несколько месяцев. К тому же покрытая облаками планета хранила от астрономов множество секретов.

Пролеты. Из-за трудностей с разработкой последней ступени носителя первые планетные зонды НАСА были простыми и легкими, основанными на лунном зонде "Рейнджер"; их выводила ракета "Атлас-Аджена". Зонд "Маринер-2" 14 декабря 1962 впервые прошел мимо Венеры и с помощью бортовой радиоаппаратуры подтвердил высокую температуру поверхности планеты, на что ранее указывали наземные радионаблюдения. "Маринер-5" прошел мимо Венеры 19 октября 1967, а "Маринер-10" - 5 февраля 1974.

Вход в атмосферу и посадка. Мягкая посадка на Венеру проходит в несколько этапов. Обычно влетающий в атмосферу планеты аппарат защищен тепловым экраном. Когда от торможения в атмосфере его скорость снижается до нескольких сотен километров в час, экран сбрасывается как лишний груз и раскрывается парашют. Вблизи поверхности парашют также сбрасывается, поскольку в очень плотных нижних слоях атмосферы для торможения уже достаточно небольшого аэродинамического щитка. Сохранить работоспособность аппарата на поверхности Венеры даже в течение одного часа не так-то просто, поскольку температура там ок. 500° С, а давление почти в 100 раз выше, чем у поверхности Земли. Поэтому приборы должны быть защищены прочной теплоизоляционной оболочкой. Советский зонд "Венера-3", осуществив первый в мире перелет на другую планету, попал на Венеру 1 марта 1966, но радиоконтакт с ним был потерян незадолго до встречи с планетой. "Венера-4" достигла планеты 18 октября 1967 и была раздавлена ее атмосферой еще до касания поверхности, подтвердив измерениями высокие температуру и давление у поверхности. "Венера-7" достигла поверхности Венеры 15 декабря 1970 и еще 23 мин посылала данные на Землю, пока не наступил перегрев. Зонды "Венера-9 и -10" состояли из посадочного и орбитального аппаратов. Их посадочные аппараты опустились на поверхность 22 и 25 октября 1975 и передали изображения пустынного и каменистого окружающего ландшафта. Следующие "Венеры" также передавали панорамы мест посадки, а "Венера-13 и -14" впервые произвели анализ образцов грунта. Американский зонд "Пионер - Венера-2" достиг планеты 9 декабря 1978, опустив в разных ее местах 4 посадочных аппарата, один из которых передавал данные с поверхности более часа. Затем были советские зонды "Вега-1 и -2", в первую очередь предназначенные для исследования кометы Галлея, приблизиться к которой они смогли после гравитационного маневра в окрестности Венеры. При прохождении мимо планеты (11 и 15 июня 1985) они сбросили на Венеру спускаемые аппараты, севшие на поверхность и проанализировавшие пробы грунта. К тому же каждый из аппаратов выпустил в атмосферу Венеры французский аэростатный зонд с баллоном, наполненным гелием; плавая в воздушных течениях Венеры несколько дней, они передавали на Землю данные об облаках, скорости ветра и параметрах атмосферы.

Радиолокационные исследования с орбиты. Поскольку Венера полностью закрыта облаками, наблюдения в оптический телескоп не дают возможности изучать ее поверхность. Однако с начала 1960-х годов наземные радарные исследования указывали, что поверхность Венеры весьма разнообразна. Поскольку спускаемые аппараты передают изображение лишь небольшого участка вокруг места посадки, возникла идея радиолокационного исследовании всей планеты с низкой орбиты. Их начал американский зонд "Пионер - Венера-1", вышедший на орбиту вокруг Венеры 4 декабря 1978 и с помощью бортового радара получивший карту части поверхности с разрешением (размер мельчайших деталей) ок. 80 км. Затем советские орбитальные зонды "Венера-15 и -16" начали 10 и 14 октября 1983 радарное изучение больших областей Венеры; на полученных ими с разрешением 1,5 км картах видны сложные структуры поверхности, многие из которых не известны на Земле. Зонд США "Магеллан", выйдя на орбиту вокруг Венеры 10 августа 1990, получил радарные карты почти всей ее поверхности с разрешением, доходящим до 100 м.

МАРС

Полет к Марсу более сложен, чем к Венере: перелет длится дольше, большее расстояние усложняет связь, а удаленность от Солнца требует большей площади солнечных батарей.

Пролеты. Как и в случае с Венерой, из-за трудностей с созданием носителей НАСА вынуждено было начать изучение Марса легкими зондами. "Маринер-4" впервые пролетел вблизи Марса 15 июля 1965, передав изображения, на которых покрытая кратерами поверхность Марса больше напоминала Луну, чем Землю. Похожие изображения передали "Маринер-6 и -7", пролетевшие вблизи Марса 31 июля и 5 августа 1969.

Исследования с орбиты и посадки. "Маринер-9", имевший мощную видеосистему, прибыл к Марсу 14 ноября 1971 и впервые стал спутником другой планеты. Почти за год наблюдений он кардинально изменил наши знания о Марсе, обнаружив на нем гигантские каньоны, огромные потухшие вулканы и следы эрозии от водяных потоков, существовавших там в далеком прошлом. Еще до открытий "Маринера-9" НАСА взялось за подготовку более сложных зондов "Викинг", способных не только выйти на орбиту вокруг Марса, но и доставить на его поверхность приборы для поиска жизни. Поскольку атмосфера Марса весьма разрежена, мягкая посадка на поверхность требует иных решений, чем на Луне или Венере. Тепловой экран и парашют использовать можно, но этого недостаточно, чтобы полностью погасить скорость. Необходим еще реактивный двигатель, управляемый компьютером, который получает от радара данные о расстоянии до поверхности и о скорости спуска. Этот последний этап посадки напоминает работу "Сервейора", однако из-за большой временной задержки все операции должны быть закончены, пока сигналы достигнут Земли. Два "Викинга" прибыли к Марсу в июле и августе 1976. Орбитальные блоки с помощью научных приборов обследовали возможные места посадки, а после отделения спускаемых аппаратов ретранслировали их сигналы на Землю. Спускаемые аппараты, снабженные радиоизотопными термоэлектрическими установками, имели по три сложных прибора для поиска жизни, но, увы, не обнаружили ее признаков. Советский Союз также в 1960-х и начале 1970-х годов предпринял исследование Марса с помощью пролетных, орбитальных и посадочных зондов. Однако многие полеты оказались не вполне удачными, вероятно, из-за трудностей в создании легких и надежных компонентов и систем, рассчитанных на длительную автономную работу.

Неудачные полеты. После экспедиций "Викингов" интерес к Марсу резко снизился. В СССР 12 и 17 июля 1988 запустили "Фобос-1 и -2" для изучения спутника Марса, но радиоконтакт с зондами был потерян перед их подлетом к Фобосу. В США 25 сентября 1992 запустили "Марс обсервер", но его радиосигналы пропали перед самым подлетом к Марсу. В результате неудачного старта 16 ноября 1996 не вышел на орбиту и погиб российский зонд "Марс-96", оснащенный аппаратурой нескольких стран для исследований Марса с орбиты и на поверхности. Исследования Марса продолжаются. Запущенный 7 ноября 1996 зонд "Марс глобал сервейор" (США) вышел 12 сентября 1997 на околомарсианскую орбиту и передает подробные изображения поверхности планеты. После серии неудач с космическими зондами НАСА перешло к программе по созданию недорогих аппаратов для выполнения конкретных задач. Первым стал зонд NEAR стоимостью 150 млн. долл., предназначенный для исследования астероидов (см. ниже). Вторым был запущенный 4 декабря 1996 зонд "Марс пасфайндер", совершивший 4 июля 1997 мягкую посадку на Марс и доставивший первый автоматический самоходный аппарат "Соджорнер", который несколько месяцев исследовал состав поверхности планеты. Для исследования атмосферы и водных ресурсов Марса 11 декабря 1998 к нему отправлен небольшой аппарат "Марс клаймит орбитер" (США - ЕКА - Россия), который должен выйти на околомарсианскую орбиту в сентябре 1999. В конце 1999 планировалась посадка в район южного полюса Марса аппарата "Марс полдар лэндер" (США), запущенного 3 января 1999.

ВНЕШНИЕ ОБЛАСТИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

За орбитой Марса масштабы расстояний в Солнечной системе значительно возрастают, поэтому посылка зонда к внешним планетам представляет трудную задачу, требующую мощных носителей и надежных приборов, способных работать годы и даже десятилетия. Планирование подобных полетов затруднено тем, что зонд неизбежно должен пройти сквозь пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Возможность столкновения зонда с известными астероидами не очень беспокоит, ибо крупных астероидов размером более километра всего несколько десятков тысяч, а рассеяны они по такому гигантскому объему пространства, что вероятность столкновения с ними ничтожно мала. Однако быстро летящему зонду может причинить вред даже столкновение с песчинкой, которых в поясе астероидов должно быть бесчисленное множество. Пролететь же над или под поясом астероидов (который, подобно планетам, располагается вблизи плоскости эклиптики) невозможно, т.к. для этого требуются огромные затраты энергии.

"Пионер-10 и -11". Единственный способ узнать, можно ли преодолеть пояс астероидов, заключался в том, чтобы попробовать это сделать. Первыми зондами НАСА к внешним планетам стали два стабилизированных вращением "Пионера" с радиоизотопными генераторами. "Пионер-10" был выведен 3 марта 1972 со скоростью 51 670 км/ч, став самым быстрым объектом, созданным руками человека, и через 11 ч после запуска пересек орбиту Луны. Он пересек пояс астероидов без повреждений и 3 декабря 1973 прошел в 130 тыс. км над облачным слоем Юпитера, передав множество данных, включая посредственные изображения, которые все же оказались значительно более детальными, чем до этого получали с Земли. Разведывательный полет "Пионера-10" продемонстрировал также, что зонд может безопасно преодолеть радиационные пояса Юпитера, которые намного интенсивнее земных. Пройдя мимо Юпитера, "Пионер-10" был выброшен его притяжением на траекторию, уводящую за пределы Солнечной системы; он стал первым рукотворным объектом, вырвавшимся из притяжения Солнца. Связь с "Пионером-10" поддерживалась до марта 1997. Теперь путь был свободен для "Пионера-11", запущенного 6 апреля 1973 и имевшего более сложную программу. Его траекторию выбрали так, чтобы после пролета 2 декабря 1974 в 43 тыс. км над облаками Юпитера он развернулся для встречи с Сатурном. Пролетев 1 сентября 1979 в 21 тыс. км над облаками Сатурна, "Пионер-11", как и его предшественник, отправился "к звездам".

"Вояджер". Следующий этап исследования внешних планет начался, когда выяснилось, что в конце 1970-х и начале 1980-х годов взаимное положение планет-гигантов Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна будет таким, что один зонд с помощью гравитационных маневров сможет посетить их все по очереди. Чтобы использовать эту редкую возможность, которая случается только раз в 179 лет, НАСА предложило грандиозную программу "Большого тура" к внешним планетам. Для этого предполагалось создать очень сложный зонд, способный работать не менее 12 лет, необходимых для полного облета планет. Но проект оказался непомерно дорогим. Тогда инженеры НАСА обратились к идее модернизированной версии "Маринера", ограничив задачу пролетом мимо Юпитера и Сатурна, но не оставляя надежду на визит к более далеким планетам.

"ВОЯДЖЕР-1" И "ВОЯДЖЕР-2" использовали принцип гравитационного маневра для пролета мимо всех планет-гигантов. На рисунке показаны траектории зондов и даты пролетов.

В отличие от "Пионера-10 и -11", новые зонды "Вояджер-1 и -2" были стабилизированы по всем трем осям, что позволяло приборам и особенно видеосистеме ориентироваться в любом заданном направлении. Как и предшествующие аппараты, они питались от радиоизотопных источников и для связи имели большую радиоантенну, направленную на Землю. Аппараты "Вояджер-1 и -2" были запущены 20 августа и 5 сентября 1977. Двигаясь по более быстрой траектории, "Вояджер-1" должен был преодолеть магнитосферу Юпитера, пролететь как можно ближе к планете, чтобы получить качественные изображения атмосферы и особенно Большого Красного Пятна, пройти на небольшом расстоянии от четырех крупнейших (галилеевых) спутников Юпитера, пролететь за кольцами Сатурна и вблизи нескольких его спутников, включая крупнейший, покрытый облаками Титан, с которым он сблизился на 4000 км. Выполнив эту изумительную программу и встретившись с Юпитером 5 марта 1979 и с Сатурном 12 ноября 1980, зонд отправился в межзвездное пространство. После этого "Вояджеру-2" можно было ставить более сложную задачу. Пролетев Юпитер 9 июля 1979 и Сатурн 25 августа 1981, он встретился затем с Ураном 24 января 1986 и Нептуном 24 августа 1989, также отправившись затем к звездам. "Вояджеры" получили прекрасные изображения планет-гигантов и сделали множество открытий в отношении самих планет, их колец и спутников. Они продемонстрировали высокую надежность зондов и безупречное искусство наземного персонала управления.

"Галилео". Мысль послать к Юпитеру зонд "Галилео" появилась в НАСА в 1970-х годах. Его задачей была доставка спускаемого аппарата в атмосферу Юпитера и выход зонда на орбиту вокруг планеты для детального исследования ее магнитосферы, облачного покрова и спутников. Полагали, что "Галилео" станет первым планетным зондом, который будет выведен на орбиту космической транспортной системой "Шаттл", но запуск пришлось отложить более чем на 7 лет из-за задержки с разработкой разгонной ступени, а потом из-за ее аварии. После запуска "Галилео" 18 октября 1989 "зонтик" его остронаправленной антенны не смог полностью раскрыться, поэтому связь с Землей он поддерживал с помощью всенаправленной антенны, что существенно замедляет передачу изображений. "Галилео" сначала прошел мимо Венеры и два раза мимо Земли, увеличивая с помощью гравитационного маневра свою скорость, затем 29 октября 1991 встретился с астероидом Гаспра, а 28 августа 1993 - с астероидом Ида, 13 июля 1995 отделил от себя атмосферный зонд, и оба они 7 декабря 1995 прибыли к Юпитеру. Зонд вошел в атмосферу планеты, исследовал ее при спуске на парашюте и погиб, а орбитальный аппарат занялся внешним изучением планеты и ее спутников. В 1999 он еще активно действовал.

ВСТРЕЧА КОСМИЧЕСКОГО ЗОНДА "ГАЛИЛЕО" с Ио при полете к Юпитеру (декабрь 1995).

Кроме попутных встреч с астероидами планируются и специальные полеты к ним. NASA 17 февраля 1996 вывело на орбиту аппарат NEAR (Near Earth Asteroid Rendezvous - Рандеву с околоземным астероидом), который 27 июня 1997 с пролетной траектории исследовал астероид Матильда, а 9 января 1999 сблизился с малой планетой Эрос и вышел на орбиту вокруг нее с минимальной высотой 24 км над поверхностью.

КОМЕТЫ

В марте 1986, когда комета Галлея приблизилась к Солнцу, с ней встретилась международная флотилия космических аппаратов: 7 января и 18 августа 1985 японский Институт космических исследований запустил зонды "Сакигаке" и "Суйсей", пролетевшие довольно далеко от ядра кометы и не подвергавшиеся серьезному риску; Советский Союз запустил 15 и 21 декабря 1984 зонды "Вега-1 и -2", а Европейское космическое агентство (ЕКА) запустило 2 июля 1985 зонд "Джотто" - наиболее совершенный из всех, приблизившийся к ядру на 605 км и передавший изображения этой темной, фонтанирующей газопылевой глыбы. Полет международной флотилии выразительно продемонстрировал конец монополии США и СССР в запуске космических зондов, поскольку Япония и Западная Европа создали свои мощные носители. Тем не менее США стали первыми, кто послал зонд к комете. Запущенный в 1978 зонд ISEE-3 изучал взаимодействие солнечного ветра с Землей на орбите, удаленной на 1,5 млн. км от Земли, а затем с помощью гравитационного маневра и оставшегося на борту запаса ракетного топлива изменил орбиту и прошел через хвост кометы Джакобини - Циннера 11 сентября 1985.

СОЛНЕЧНЫЕ ЗОНДЫ

Полет зонда к Солнцу требует решения многих инженерных проблем, связанных с поддержанием в нем температуры, при которой могут работать электронные приборы.

"Гелиос". Два западногерманских зонда "Гелиос" были запущены американскими ракетами "Титан-Центавр" 10 декабря 1974 и 15 января 1976 на орбиту вокруг Солнца для его изучения с относительно близкого расстояния. Это был совместный проект НАСА и ЕКА; каждое из них установило на зондах по 11 приборов для всестороннего изучения Солнца.

"Улисс". Особым солнечным зондом стал "Улисс", также совместно созданный НАСА и ЕКА. Этот аппарат, запущенный 6 октября 1990, предназначен для изучения Солнца и межпланетной среды над и под солнечными полюсами. Для этого его орбита должна существенно выходить из плоскости эклиптики, что требует гораздо больших затрат энергии. Эта дополнительная энергия была получена путем гравитационного маневра при сближении с Юпитером в феврале 1992. При первом облете Солнца "Улисс" прошел в 80,2° к югу и к северу от солнечного экватора, соответственно 13 сентября 1994 и 31 июля 1995, и получил уникальную информацию, поскольку с Земли невозможно исследовать эти области.

SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Запущенный 2 декабря 1995 совместно НАСА и ЕКА на околосолнечную орбиту в точку Лагранжа L1 системы Земля - Солнце, этот зонд получает великолепные изображения Солнца в различных диапазонах спектра, а также изучает солнечную корону, используя внезатменный коронограф (с помощью которого уже было открыто несколько комет, влетевших в атмосферу Солнца).

В МЕЖПЛАНЕТНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Пространство между большими планетами Солнечной системы почти пусто, но и оно может немало рассказать о метеороидах, солнечном магнитном поле и заряженных частицах - электронах и протонах. Первым зондом для исследования этих областей был американский "Пионер-5", запущенный 11 марта 1960. Он двигался по орбите между Землей и Венерой, передавая данные об условиях в межпланетном пространстве, пока не удалился от Земли на рекордное для тех лет расстояние в 36,2 млн. км. В начале 1960-х годов в НАСА разработали простые и легкие (63 кг), стабилизированные вращением зонды для исследования межпланетного пространства, которые выводились относительно дешевой ракетой "Дельта". На орбиту вокруг Солнца вывели четыре аппарата: "Пионер-6, -7, -8 и -9" (запущены 16 декабря 1965, 17 августа 1966, 13 декабря 1967 и 8 ноября 1968), причем два между орбитами Венеры и Земли и два между Землей и Марсом. Связь с ними была прекращена лишь в марте 1997. Кроме научных исследований, эти зонды решали важную практическую задачу, предупреждая о мощных солнечных вспышках, которые могли быть опасны для астронавтов "Аполлона".

Составить слова из слова космический зонд

Солнце и обращающиеся вокруг него небесные тела - 9 планет, более 63 спутников, четыре системы колец у планет-гигантов, десятки тысяч астероидов, несметное количество метеороидов размером от валунов до пылинок, а также миллионы комет. В пространстве между ними движутся частицы солнечного ветра - электроны и протоны. Исследована еще не вся Солнечная система: например, большинство планет и их спутников лишь бегло осмотрены с пролетных траекторий, сфотографировано только одно полушарие Меркурия, а к Плутону пока не было экспедиций. Но все же с помощью телескопов и космических зондов собрано уже много важных данных.

Почти вся масса Солнечной системы (99,87%) сосредоточена в Солнце. Размером Солнце также значительно превосходит любую планету ее системы: даже Юпитер, который в 11 раз больше Земли, имеет радиус в 10 раз меньше солнечного. Солнце - обычная звезда, которая светит самостоятельно за счет высокой температуры поверхности. Планеты же светят отраженным солнечным светом (альбедо), поскольку сами довольно холодны. Они расположены в следующем порядке от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Расстояния в Солнечной системе принято измерять в единицах среднего расстояния Земли от Солнца, называемого астрономической единицей (1 а.е. = 149,6 млн. км). Например, среднее расстояние Плутона от Солнца 39 а.е., но иногда он удаляется на 49 а.е. Известны кометы, улетающие на 50 000 а.е. Расстояние от Земли до ближайшей звезды a Кентавра 272 000 а.е., или 4,3 световых года (т. е. свет, движущийся со скоростью 299 793 км/с, проходит это расстояние за 4,3 года). Для сравнения, от Солнца до Земли свет доходит за 8 мин, а до Плутона - за 6 ч.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА.

Девять больших планет показаны в масштабе их относительного размера и положения орбит. Внутренние планеты (планеты земной группы) - это Меркурий, Венера, Земля и Марс. К планетам-гигантам относят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самая далекая планета - Плутон.

Планеты обращаются вокруг Солнца по почти круговым орбитам, лежащим приблизительно в одной плоскости, в направлении против часовой стрелки, если смотреть со стороны северного полюса Земли. Плоскость орбиты Земли (плоскость эклиптики) лежит близко к средней плоскости орбит планет. Поэтому видимые пути планет, Солнца и Луны на небе проходят вблизи линии эклиптики, а сами они всегда видны на фоне созвездий Зодиака. Наклоны орбит отсчитываются от плоскости эклиптики. Углы наклона менее 90° соответствуют прямому орбитальному движению (против часовой стрелки), а углы более 90° - обратному движению. Все планеты Солнечной системы движутся в прямом направлении; наибольший наклон орбиты у Плутона (17°). Многие кометы движутся в обратной направлении, например, наклон орбиты кометы Галлея 162°. Орбиты всех тел Солнечной системы очень близки к эллипсам. Размер и форма эллиптической орбиты характеризуются большой полуосью эллипса (средним расстоянием планеты от Солнца) и эксцентриситетом, изменяющимся от е = 0 у круговых орбит до е = 1 у предельно вытянутых. Ближайшую к Солнцу точку орбиты называют перигелием, а самую удаленную - афелием.

См. также ОРБИТА; КОНИЧЕСКИЕ СЕЧЕНИЯ. С точки зрения земного наблюдателя планеты Солнечной системы делят на две группы. Меркурий и Венеру, которые ближе к Солнцу, чем Земля, называют нижними (внутренними) планетами, а более далекие (от Марса до Плутона) - верхними (внешними). У нижних планет существует предельный угол удаления от Солнца: 28° у Меркурия и 47° у Венеры. Когда такая планета максимально удалена к западу (востоку) от Солнца, говорят, что она находится в наибольшей западной (восточной) элонгации. Когда нижняя планета видна прямо перед Солнцем, говорят, что она находится в нижнем соединении; когда прямо за Солнцем - в верхнем соединении. Подобно Луне, эти планеты проходят через все фазы освещения Солнцем в течение синодического периода Ps - времени, за которое планета возвращается к исходному положению относительно Солнца с точки зрения земного наблюдателя. Истинный орбитальный период планеты (P) называют сидерическим. Для нижних планет эти периоды связаны соотношением:

1/Ps = 1/P - 1/Po где Po - орбитальный период Земли. Для верхних планет подобное соотношение имеет другой вид: 1/Ps = 1/Po - 1/P Для верхних планет характерен ограниченный диапазон фаз. Максимальный фазовый угол (Солнце-планета-Земля) у Марса 47°, у Юпитера 12°, у Сатурна 6°. Когда верхняя планета видна за Солнцем, она находится в соединении, а когда в противоположном Солнцу направлении - в противостоянии. Планета, наблюдаемая на угловом расстоянии 90° от Солнца, находится в квадратуре (восточной или западной). Пояс астероидов, проходящий между орбитами Марса и Юпитера, делит планетную систему Солнца на две группы. Внутри него располагаются планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), схожие тем, что это небольшие, каменистые и довольно плотные тела: их средние плотности от 3,9 до 5,5 г/см3. Они сравнительно медленно вращаются вокруг осей, лишены колец и имеют мало естественных спутников: земную Луну и марсианские Фобос и Деймос. Вне пояса астероидов находятся планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Для них характерны большие радиусы, низкая плотность (0,7-1,8 г/см3) и глубокие атмосферы, богатые водородом и гелием. Юпитер, Сатурн и, возможно, другие гиганты лишены твердой поверхности. Все они быстро вращаются, имеют много спутников и окружены кольцами. Далекий маленький Плутон и крупные спутники планет-гигантов во многом схожи с планетами земной группы. Древние люди знали планеты, видимые невооруженным глазом, т.е. все внутренние и внешние вплоть до Сатурна. В.Гершель открыл в 1781 Уран. Первый астероид обнаружил Дж.Пиацци в 1801. Анализируя отклонения в движении Урана, У.Леверье и Дж.Адамс теоретически открыли Нептун; на вычисленном месте его обнаружил И.Галле в 1846. Самую далекую планету - Плутон - открыл в 1930 К.Томбо в результате длительных поисков занептуновой планеты, организованных П.Ловеллом. Четыре больших спутника Юпитера обнаружил Галилей в 1610. С тех пор при помощи телескопов и космических зондов у всех внешних планет найдены многочисленные спутники. Х.Гюйгенс в 1656 установил, что Сатурн окружен кольцом. Темные кольца Урана были открыты с Земли в 1977 при наблюдении покрытия звезды. Прозрачные каменные кольца Юпитера обнаружил в 1979 межпланетный зонд "Вояджер-1". С 1983 в моменты покрытия звезд отмечались признаки неоднородных колец у Нептуна; в 1989 изображение этих колец было передано "Вояджером-2".

См. также

АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА;

ЗОДИАК;

КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД;

НЕБЕСНАЯ СФЕРА.

СОЛНЦЕ

В центре Солнечной системы расположено Солнце - типичная одиночная звезда радиусом около 700 000 км и массой 2*10 30 кг. Температура видимой поверхности Солнца - фотосферы - ок. 5800 К. Плотность газа в фотосфере в тысячи раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли. Внутри Солнца температура, плотность и давление увеличиваются с глубиной, достигая в центре соответственно 16 млн. К, 160 г/см3 и 3,5*10 11 бар (давление воздуха в комнате ок. 1 бар). Под влиянием высокой температуры в ядре Солнца водород превращается в гелий с выделением большого количества тепла; это удерживает Солнце от сжатия под действием собственной силой тяжести. Выделяющаяся в ядре энергия покидает Солнце в основном в виде излучения фотосферы с мощностью 3,86*10 26 Вт. С такой интенсивностью Солнце излучает уже 4,6 млрд. лет, переработав за это время 4% своего водорода в гелий; при этом 0,03% массы Солнца превратилось в энергию. Модели эволюции звезд указывают, что Солнце сейчас находится в середине своей жизни (см. также ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). Чтобы определить содержание различных химических элементов на Солнце, астрономы изучают линии поглощения и излучения в спектре солнечного света. Линии поглощения - это темные промежутки в спектре, указывающие на отсутствие в нем фотонов данной частоты, поглощенных определенным химическим элементом. Линии излучения, или эмиссионные линии, - это более яркие участки спектра, указывающие на избыток фотонов, излучаемых каким-либо химическим элементом. Частота (длина волны) спектральной линии указывает, какой атом или молекула ответственны за ее возникновение; контраст линии свидетельствует о количестве излучающего или поглощающего свет вещества; ширина линии позволяет судить о его температуре и давлении. Изучение тонкой (500 км) фотосферы Солнца позволяет оценить химический состав его недр, поскольку наружные области Солнца хорошо перемешаны конвекцией, спектры Солнца имеют высокое качество, а ответственные за них физические процессы вполне понятны. Однако нужно отметить, что до сих пор идентифицирована лишь половина линий в солнечном спектре. В составе Солнца преобладает водород. На втором месте - гелий, название которого ("гелиос" по-гречески "Солнце") напоминает, что он был открыт спектроскопически на Солнце раньше (1899), чем на Земле. Поскольку гелий - инертный газ, он крайне неохотно вступает в реакции с другими атомами и также неохотно проявляет себя в оптическом спектре Солнца - всего одной линией, хотя многие менее обильные элементы представлены в спектре Солнца многочисленными линиями. Вот состав "солнечного" вещества: на 1 млн. атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, а также чуть-чуть всех прочих элементов. Таким образом, по массе Солнце примерно на 71% состоит из водорода и на 28% из гелия; на долю остальных элементов приходится чуть более 1%. С точки зрения планетологии примечательно, что некоторые объекты Солнечной системы имеют практически такой же состав, как Солнце (см. ниже раздел о метеоритах). Подобно тому, как погодные явления изменяют внешний вид планетных атмосфер, вид солнечной поверхности тоже меняется с характерным временем от часов до десятилетий. Однако имеется важное различие между атмосферами планет и Солнца, которое состоит в том, что движение газов на Солнце контролирует его мощное магнитное поле. Солнечные пятна - это те области поверхности светила, где вертикальное магнитное поле настолько велико (200-3000 Гс), что препятствует горизонтальному движению газа и тем самым подавляет конвекцию. В результате температура в этой области опускается примерно на 1000 К, и возникает темная центральная часть пятна - "тень", окруженная более горячей переходной областью - "полутенью". Размер типичного солнечного пятна чуть больше диаметра Земли; существует такое пятно несколько недель. Количество пятен на Солнце то увеличивается, то уменьшается с продолжительностью цикла от 7 до 17 лет, в среднем 11,1 года. Обычно чем больше пятен появляется в цикле, тем короче сам цикл. Направление магнитной полярности пятен меняется на противоположное от цикла к циклу, поэтому истинный цикл пятнообразовательной активности Солнца составляет 22,2 года. В начале каждого цикла первые пятна появляются на высоких широтах, ок. 40°, и постепенно зона их рождения смещается к экватору до широты ок. 5°. См. также ЗВЕЗДЫ; СОЛНЦЕ. Колебания активности Солнца почти не отражаются на полной мощности его излучения (если бы она изменилась всего на 1%, это привело бы к серьезным переменам климата на Земле). Было немало попыток найти связь между циклами солнечных пятен и климатом Земли. Самое замечательное в этом смысле событие - "минимум Маундера": с 1645 в течение 70 лет на Солнце почти не было пятен, и в это же время Земля пережила Малый ледниковый период. До сих пор не ясно, был ли этот удивительный факт простым совпадением или он указывает на причинную связь.

См. также

КЛИМАТ;

МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ. В Солнечной системе 5 огромных вращающихся водородо-гелиевых шаров: Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В недрах этих гигантских небесных тел, недоступных для прямого исследования, сосредоточено почти все вещество Солнечной системы. Земные недра также недоступны для нас, но, измеряя время распространения сейсмических волн (длинноволновых звуковых колебаний), возбуждаемых в теле планеты землетрясениями, сейсмологи составили детальную карту земных недр: узнали размеры и плотности ядра Земли и ее мантии, а также методом сейсмической томографии получили трехмерные изображения перемещающихся плит ее коры. Подобные методы можно применить и к Солнцу, поскольку на его поверхности существует волны с периодом ок. 5 мин, вызванные множеством сейсмических колебаний, распространяющихся в его недрах. Эти процессы изучает гелиосейсмология. В отличие от землетрясений, которые рождают короткие всплески волн, энергичная конвекция в недрах Солнца создает постоянный сейсмический шум. Гелиосейсмологи обнаружили, что под конвективной зоной, занимающей внешние 14% радиуса Солнца, вещество вращается синхронно с периодом 27 сут (о вращении солнечного ядра пока ничего не известно). Выше, в самой конвективной зоне вращение происходит синхронно только вдоль конусов равной широты и чем дальше от экватора, тем медленнее: экваториальные области вращаются с периодом 25 сут (опережают среднее вращение Солнца), а полярные - с периодом 36 сут (отстают от среднего вращения). Недавние попытки применить методы сейсмологии к газовым планетам-гигантам не принесли результатов, поскольку приборы пока не в состоянии зафиксировать возникающие колебания. Над фотосферой Солнца располагается тонкий горячий слой атмосферы, который можно увидеть только в редкие моменты солнечных затмений. Это хромосфера толщиной в несколько тысяч километров, названная так за свой красный цвет, обязанный линии излучения водорода Ha. Температура почти удваивается от фотосферы до верхних слоев хромосферы, из которых по не совсем понятной причине покидающая Солнце энергия выделяется в виде тепла. Над хромосферой газ нагрет до 1 млн. К. Эта область, названная короной, простирается примерно на 1 радиус Солнца. Плотность газа в короне очень низка, но температура настолько велика, что корона является мощным источником рентгеновских лучей. Иногда в атмосфере Солнца возникают гигантские образования - эруптивные протуберанцы. Они похожи на арки, вздымающиеся из фотосферы на высоту до половины солнечного радиуса. Наблюдения ясно указывают, что форма протуберанцев определяется силовыми линиями магнитного поля. Еще одно интересное и чрезвычайно активное явление - это солнечные вспышки, мощные выбросы энергии и частиц продолжительностью до двух часов. Порожденный такой солнечной вспышкой поток фотонов достигает Земли со скоростью света за 8 мин, а поток электронов и протонов - за несколько суток. Солнечные вспышки происходят в местах резкого изменения направления магнитного поля, вызванного движением вещества в солнечных пятнах. Максимум вспышечной активности Солнца обычно наступает за год до максимума пятнообразовательного цикла. Такая предсказуемость очень важна, ибо шквал заряженных частиц, рожденных мощной солнечной вспышкой, может повредить даже наземные средства связи и энергетические сети, не говоря уже о космонавтах и космической технике.

СОЛНЕЧНЫЕ ПРОТУБЕРАНЦЫ, наблюдавшейся в линии излучения гелия (длина волны 304 ) с борта космической станции "Скайлэб".

Из плазменной короны Солнца происходит постоянный отток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. О его существовании догадывались еще до начала космических полетов, поскольку заметно было, как что-то "сдувает" кометные хвосты. В солнечном ветре выделяют три составляющие: высокоскоростной поток (более 600 км/с), низкоскоростной поток и нестационарные потоки от солнечных вспышек. Рентгеновские изображения Солнца показали, что в короне регулярно образуются огромные "дыры" - области пониженной плотности. Эти корональные дыры служат главным источником высокоскоростного солнечного ветра. В районе орбиты Земли типичная скорость солнечного ветра около 500 км/с, а плотность - около 10 частиц (электронов и протонов) в 1 см3. Поток солнечного ветра взаимодействует с магнитосферами планет и хвостами комет, заметно влияя на их форму и происходящие в них процессы.

См. также

ГЕОМАГНЕТИЗМ;

КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ;

КОМЕТА. Под напором солнечного ветра в межзвездной среде вокруг Солнца образовалась гигантская каверна - гелиосфера. На ее границе - гелиопаузе - должна существовать ударная волна, в которой солнечный ветер и межзвездный газ сталкиваются и уплотняются, оказывая друг на друга равное давление. Четыре космических зонда приближаются сейчас к гелиопаузе: "Пионер-10 и -11", "Вояджер-1 и -2". Ни один из них не встретил ее на расстоянии 75 а.е. от Солнца. Это весьма драматическая гонка со временем: "Пионер-10" прекратил работу в 1998, а остальные пытаются достичь гелиопаузы раньше, чем иссякнет запас энергии в их батареях. Судя по расчетам, "Вояджер-1" летит как раз в том направлении, откуда дует межзвездный ветер, и поэтому первым достигнет гелиопаузы.

ПЛАНЕТЫ: ОПИСАНИЕ

Меркурий. С Земли наблюдать Меркурий в телескоп сложно: он не удаляется от Солнца на угол более 28°. Его изучали при помощи радиолокации с Земли, а межпланетный зонд "Маринер-10" сфотографировал половину его поверхности. Вокруг Солнца Меркурий обращается за 88 земных суток по довольно вытянутой орбите с расстоянием от Солнца в перигелии 0,31 а.е. и в афелии 0,47 а.е. Вокруг оси он вращается с периодом 58,6 сут, в точности равным 2/3 орбитального периода, поэтому каждая точка его поверхности поворачивается к Солнцу лишь один раз за 2 меркурианских года, т.е. солнечные сутки там длятся 2 года! Из больших планет меньше Меркурия лишь Плутон. Но по средней плотности Меркурий находится на втором месте после Земли. Вероятно, у него большое металлическое ядро, составляющее 75% радиуса планеты (у Земли оно занимает 50% радиуса). Поверхность Меркурия подобна лунной: темная, абсолютно сухая и покрытая кратерами. Средний коэффициент отражения света (альбедо) поверхности Меркурия около 10%, примерно как у Луны. Вероятно, его поверхность тоже покрыта реголитом - спекшимся раздробленным материалом. Крупнейшее ударное образование на Меркурии - бассейн Калорис размером 2000 км, напоминающий лунные моря. Однако в отличие от Луны на Меркурии есть своеобразные структуры - протянувшиеся на сотни километров уступы высотой в несколько километров. Возможно, они образовались в результате сжатия планеты при остывании ее большого металлического ядра или под действием мощных солнечных приливов. Температура поверхности планеты днем около 700 К, а ночью около 100 К. По данным радиолокации, на дне полярных кратеров в условиях вечной темноты и холода, возможно, лежит лед. У Меркурия практически нет атмосферы - лишь крайне разреженная гелиевая оболочка с плотностью земной атмосферы на высоте 200 км. Вероятно, гелий образуется при распаде радиоактивных элементов в недрах планеты. У Меркурия есть слабое магнитное поле и нет спутников.

Венера. Это вторая от Солнца и ближайшая к Земле планета - самая яркая "звезда" на нашем небе; порой она видна даже днем. Венера во многом похожа на Землю: ее размер и плотность лишь на 5% меньше, чем у Земли; вероятно, и недра Венеры похожи на земные. Поверхность Венеры всегда закрыта толстым слоем желтовато-белых облаков, но с помощью радаров она исследована довольно подробно. Вокруг оси Венера вращается в обратном направлении (по часовой стрелке, если смотреть с северного полюса) с периодом 243 земных суток. Ее орбитальный период 225 сут; поэтому венерианские сутки (от восхода до следующего восхода Солнца) длятся 116 земных суток.

См. также РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ.

ВЕНЕРА. Изображение в ультрафиолетовых лучах, полученное с борта межпланетной станции "Пионер-Венера", демонстрирует атмосферу планеты, плотно заполненную облаками, более светлыми в полярных областях (вверху и внизу снимка).

Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа (CO2), а также небольшого количества азота (N2) и паров воды (H2O). В виде малых примесей обнаружены соляная кислота (HCl) и плавиковая кислота (HF). Давление у поверхности 90 бар (как в земных морях на глубине 900 м); температура около 750 К по всей поверхности и днем, и ночью. Причина столь высокой температуры у поверхности Венеры в том, что не совсем точно называют "парниковым эффектом": солнечные лучи сравнительно легко проходят сквозь облака ее атмосферы и нагревают поверхность планеты, но тепловое инфракрасное излучение самой поверхности выходит сквозь атмосферу обратно в космос с большим трудом. Облака Венеры состоят из микроскопических капелек концентрированной серной кислоты (H2SO4). Верхний слой облаков удален от поверхности на 90 км, температура там ок. 200 К; нижний слой - на 30 км, температура ок. 430 К. Еще ниже так жарко, что облаков нет. Разумеется, на поверхности Венеры нет жидкой воды. Атмосфера Венеры на уровне верхнего облачного слоя вращается в том же направлении, что и поверхность планеты, но значительно быстрее, совершая оборот за 4 сут; это явление называют суперротацией, и объяснения ему пока не найдено. Автоматические станции опускались на дневной и ночной сторонах Венеры. Днем поверхность планеты освещена рассеянным солнечным светом примерно с такой интенсивностью, как в пасмурный день на Земле. Ночью на Венере замечено много молний. Станции "Венера" передали изображения небольших участков в местах посадки, на которых виден скалистый грунт. В целом топография Венеры изучена по радиолокационным изображениям, переданным орбитальными аппаратами "Пионер-Венера" (1979), "Венера-15 и -16" (1983) и "Магеллан" (1990). Мельчайшие детали на лучших из них имеют размер около 100 м. В отличие от Земли на Венере нет четко выраженных континентальных плит, но отмечается несколько глобальных возвышенностей, например земля Иштар размером с Австралию. На поверхности Венеры множество метеоритных кратеров и вулканических куполов. Очевидно, кора Венеры тонка, так что расплавленная лава подходит близко к поверхности и легко изливается на нее после падения метеоритов. Поскольку дождей и сильных ветров у поверхности Венеры не бывает, эрозия поверхности происходит очень медленно, и геологические структуры остаются доступными для наблюдения из космоса сотни миллионов лет. О внутреннем строении Венеры известно мало. Вероятно, у нее есть металлическое ядро, занимающее 50% радиуса. Но магнитного поля у планеты нет вследствие ее очень медленного вращения. Нет у Венеры и спутников.

Земля. Наша планета - единственная, у которой большая часть поверхности (75%) покрыта жидкой водой. Земля - активная планета и, возможно, единственная, у которой обновление поверхности обязано процессам тектоники плит, проявляющим себя срединно-океаническими хребтами, островными дугами и складчатыми горными поясами. Распределение высот твердой поверхности Земли бимодальное: средний уровень океанического дна на 3900 м ниже уровня моря, а континенты в среднем возвышаются над ним на 860 м (см. также ЗЕМЛЯ). Сейсмические данные указывают на следующее строение земных недр: кора (30 км), мантия (до глубины 2900 км), металлическое ядро. Часть ядра расплавлена; там генерируется земное магнитное поле, которое улавливает заряженные частицы солнечного ветра (протоны и электроны) и формирует вокруг Земли две заполненные ими тороидальные области - радиационные пояса (пояса Ван-Аллена), локализованные на высотах 4000 и 17 000 км от поверхности Земли.

См. также ГЕОЛОГИЯ; ГЕОМАГНЕТИЗМ.

Атмосфера Земли состоит на 78% из азота и на 21% из кислорода; это результат длительной эволюции под влиянием геологических, химических и биологических процессов. Возможно, первичная атмосфера Земли была богата водородом, который затем улетучился. Дегазация недр наполнила атмосферу углекислым газом и водяным паром. Но пар сконденсировался в океанах, а двуокись углерода оказалась связанной в карбонатных породах. (Любопытно, что если бы весь CO2 заполнил атмосферу в виде газа, то давление стало бы 90 бар, как на Венере. А если бы вся вода испарилась, то давление было бы 257 бар!). Таким образом, в атмосфере остался азот, а кислород появился постепенно в результате жизнедеятельности биосферы. Еще 600 млн. лет назад содержание кислорода в воздухе было раз в 100 ниже нынешнего (см. также АТМОСФЕРА; ОКЕАН). Существуют указания, что климат Земли изменяется в короткой (10 000 лет) и длинной (100 млн. лет) шкалах. Причиной этого могут быть изменения орбитального движения Земли, наклона оси вращения, частоты вулканических извержений. Не исключены и колебания интенсивности солнечного излучения. В нашу эпоху на климат влияет и деятельность человека: выбросы газов и пыли в атмосферу.

См. также

КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ;

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА;

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ;

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДЕГРАДАЦИЯ.

У Земли есть спутник - Луна, происхождение которой до сих пор не разгадано.

ЗЕМЛЯ И ЛУНА с борта космического зонда "Лунар орбитер".

Луна. Один из крупнейших спутников, Луна находится на втором месте после Харона (спутника Плутона) по отношению масс спутника и планеты. Ее радиус в 3,7, а масса в 81 раз меньше, чем у Земли. Средняя плотность Луны 3,34 г/см3, что указывает на отсутствие у нее значительного металлического ядра. Сила тяжести на лунной поверхности в 6 раз меньше земной. Луна обращается вокруг Земли по орбите с эксцентриситетом 0,055. Наклон плоскости ее орбиты к плоскости земного экватора изменяется от 18,3° до 28,6°, а по отношению к эклиптике - от 4°59ў до 5°19ў. Суточное вращение и орбитальное обращение Луны синхронизованы, поэтому мы всегда видим только одно ее полушарие. Правда, небольшие покачивания (либрации) Луны позволяют в течение месяца увидеть около 60% ее поверхности. Основная причина либраций в том, что суточное вращение Луны происходит с постоянной скоростью, а орбитальное обращение - с переменной (вследствие эксцентричности орбиты). Участки лунной поверхности издавна условно делят на "морские" и "материковые". Поверхность морей выглядит темнее, лежит ниже и значительно реже покрыта метеоритными кратерами, чем материковая поверхность. Моря залиты базальтовыми лавами, а материки сложены анортозитовыми породами, богатыми полевыми шпатами. Судя по большому количеству кратеров, материковые поверхности значительно старше морских. Интенсивная метеоритная бомбардировка сделала верхний слой лунной коры мелко раздробленным, а наружные несколько метров превратила в порошок, называемый реголитом. Астронавты и автоматические зонды доставили с Луны образцы скального грунта и реголита. Анализ показал, что возраст морской поверхности около 4 млрд. лет. Следовательно, период интенсивной метеоритной бомбардировки приходится на первые 0,5 млрд. лет после образования Луны 4,6 млрд. лет назад. Затем частота падения метеоритов и образования кратеров практически не изменялась и составляет до сих пор один кратер диаметром 1 км за 105 лет.

См. также КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ.

Лунные породы бедны летучими элементами (H2O, Na, K, и т.п.) и железом, но богаты тугоплавкими элементами (Ti, Ca и т.п.). Лишь на дне лунных полярных кратеров могут быть залежи льда, такие, как на Меркурии. Атмосферы у Луны практически нет и нет свидетельств, что лунный грунт когда-либо подвергался воздействию жидкой воды. Нет в нем и органических веществ - лишь следы углистых хондритов, попавшие с метеоритами. Отсутствие воды и воздуха, а также сильные колебания температуры поверхности (390 К днем и 120 К ночью) делают Луну непригодной для жизни. Доставленные на Луну сейсмометры позволили узнать кое-что о лунных недрах. Там часто происходят слабые "лунотрясения", вероятно, связанные с приливным влиянием Земли. Луна довольно однородна, имеет маленькое плотное ядро и кору толщиной около 65 км из более легких материалов, причем верхние 10 км коры раздроблены метеоритами еще 4 млрд. лет назад. Крупные ударные бассейны распределены по лунной поверхности равномерно, но толщина коры на видимой стороне Луны меньше, поэтому именно на ней сосредоточено 70% морской поверхности. История лунной поверхности в целом известна: после окончания 4 млрд. лет назад этапа интенсивной метеоритной бомбардировки еще около 1 млрд. лет недра были достаточно горячими и базальтовая лава изливалась в моря. Затем лишь редкое падение метеоритов меняло лик нашего спутника. А вот о происхождении Луны до сих пор спорят. Она могла сформироваться самостоятельно и затем быть захваченной Землей; могла сформироваться вместе с Землей как ее спутник; наконец, могла отделиться от Земли в период формирования. Вторая возможность еще недавно была популярна, но в последние годы серьезно рассматривается гипотеза образования Луны из вещества, выброшенного прото-Землей при столкновении с крупным небесным телом. Несмотря на неясность происхождения системы Земля - Луна, дальнейшая их эволюция прослеживается довольно надежно. Приливное взаимодействие существенно влияет на движение небесных тел: суточное вращение Луны практически уже прекратилось (его период уравнялся с орбитальным), а вращение Земли замедляется, передавая свой момент импульса орбитальному движению Луны, которая в результате удаляется от Земли примерно на 3 см в год. Это прекратится, когда вращение Земли выровняется с движением Луны. Тогда Земля и Луна будут постоянно повернуты друг к другу одной стороной (как Плутон и Харон), а их сутки и месяц станут равны 47 нынешним суткам; при этом Луна удалится от нас в 1,4 раза. Правда, и эта ситуация не сохранится навсегда, ибо не прекратят действовать на вращение Земли солнечные приливы. См. также

ЛУНА;

ЛУНЫ ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ИСТОРИЯ;

ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ.

Марс. Марс похож на Землю, но почти вдвое меньше ее и имеют несколько меньшую среднюю плотность. Период суточного вращения (24 ч 37 мин) и наклон оси (24°) почти не отличаются от земных. Земному наблюдателю Марс кажется красноватой звездочкой, блеск которой заметно меняется; он максимален в периоды противостояний, повторяющиеся через два с небольшим года (например, в апреле 1999 и в июне 2001). Особенно близок и ярок Марс в периоды великих противостояний, происходящих, если он в момент противостояния проходит вблизи перигелия; это случается через каждые 15-17 лет (ближайшее в августе 2003). В телескоп на Марсе видны яркие оранжевые области и более темные районы, тон которых меняется в зависимости от сезона. На полюсах лежат ярко-белые снежные шапки. Красноватый цвет планеты связан с большим количеством окислов железа (ржавчины) в ее грунте. Состав темных областей, вероятно, напоминает земные базальты, а светлые сложены мелкодисперсным материалом.

ПОВЕРХНОСТЬ МАРСА вблизи посадочного блока "Викинг-1". Крупные обломки камня имеют размер около 30 см.

В основном наши знания о Марсе получены автоматическими станциями. Самыми результативными оказались два орбитальных и два посадочных аппарата экспедиции "Викинг", которые опустились на Марс 20 июля и 3 сентября 1976 в областях Хриса (22° с.ш., 48° з.д.) и Утопия (48° с.ш., 226° з.д.), причем "Викинг-1" работал до ноября 1982. Оба они сели в классических светлых областях и оказались в красноватой песчаной пустыне, усыпанной темными камнями. 4 июля 1997 зонд "Марс пасфайндер" (США) в долину Ареса (19° с.ш., 34° з.д.) первый автоматический самоходный аппарат, обнаруживший смешанные породы и, возможно, обточенную водой и перемешанную с песком и глиной гальку, что указывает на сильные изменения марсианского климата и наличие в прошлом большого количества воды. Разреженная атмосфера Марса состоит на 95% из углекислого газа и на 3% из азота. В малом количестве присутствуют водяной пар, кислород и аргон. Среднее давление у поверхности 6 мбар (т. е. 0,6% земного). При таком низком давлении не может быть жидкой воды. Средняя дневная температура 240 К, а максимальная летом на экваторе достигает 290 К. Суточные колебания температуры около 100 К. Таким образом, климат Марса - это климат холодной, обезвоженной высокогорной пустыни. В высоких широтах Марса зимой температура опускается ниже 150 К и атмосферный углекислый газ (CO2) замерзает и выпадает на поверхность белым снегом, образуя полярную шапку. Периодическая конденсация и сублимация полярных шапок вызывает сезонные колебания давления атмосферы на 30%. К концу зимы граница полярной шапки опускается до 45°-50° широты, а летом от нее остается небольшая область (300 км диаметром у южного полюса и 1000 км у северного), вероятно, состоящая из водяного льда, толщина которого может достигать 1-2 км. Иногда на Марсе дуют сильные ветры, поднимающие в воздух тучи мелкого песка. Особенно мощные пылевые бури бывают в конце весны в южном полушарии, когда Марс проходит через перигелий орбиты и солнечное тепло особенно велико. На недели и даже месяцы атмосфера становится непрозрачной от желтой пыли. Орбитальные аппараты "Викингов" передали изображения мощных песчаных дюн на дне крупных кратеров. Отложения пыли так сильно меняют вид марсианской поверхности от сезона к сезону, что это заметно даже с Земли при наблюдении в телескоп. В прошлом эти сезонные изменения цвета поверхности некоторые астрономы считали признаком растительности на Марсе. Геология Марса весьма разнообразна. Большие пространства южного полушария покрыты старыми кратерами, оставшимися от эпохи древней метеоритной бомбардировки (4 млрд. лет назад). Значительная часть северного полушария покрыта более молодыми лавовыми потоками. Особенно интересна возвышенность Фарсида (10° с.ш., 110° з.д.), на которой расположены несколько гигантских вулканических гор. Высочайшая среди них - гора Олимп - имеет поперечник у основания 600 км и высоту 25 км. Хотя признаков вулканической активности сейчас нет, возраст лавовых потоков не превышает 100 млн. лет, что немного по сравнению с возрастом планеты 4,6 млрд. лет.

ГОРА ОЛИМП - гигантский древний вулкан на Марсе. Он напоминает крупнейшие вулканы Земли, расположенные на Гавайях.

Хотя древние вулканы указывают на некогда мощную активность марсианских недр, признаков тектоники плит нет: отсутствуют складчатые горные пояса и другие указатели сжатия коры. Однако есть мощные рифтовые разломы, крупнейший из которых - долины Маринера - тянется от Фарсиды к востоку на 4000 км при максимальной ширине 700 км и глубине 6 км. Одним из интереснейших геологических открытий, сделанных по снимкам с космических аппаратов, стали разветвленные извилистые долины длиной в сотни километров, напоминающие высохшие русла земных рек. Это наводит на мысль о более благоприятном климате в прошло

Составить слова из слова солнечная система

Марс. Участок поверхности со следами древней водной эрозии.

МАРС (астрономический знак

),

планета, среднее расстояние от Солнца 1,5 астрономических единиц (227,9 млн. км),средний диаметр 6780 км, масса 6,4´10²³ кг (0,108 массы Земли). Разреженная атмосфера, состоит в основном из углекислого газа, среднее давление у поверхности 0,006 атм. Поверхность Марса - пыле-песчаная пустыня с каменистыми россыпями, потухшими вулканами, ударными кратерами, ветвящимися каньонами типа высохших русел рек. Период обращения вокруг Солнца 687 сут., период вращения вокруг своей оси 24 ч 37 мин. Спутники Марса - Фобос и Деймос. Значительный научный материал о Марсе получен с помощью космических аппаратов "Маринер" и "Марс".

Снимок поверхности Марса, сделанный космическим аппаратом "Викинг-1". Архив НАСА.

Марсианский ландшафт. Снимок сделан аппаратом "Пасфайндер", 1997.

Архив НАСА.

Марсианский пейзаж. Снимок сделан аппаратом "Пасфайндер", 1997. Архив НАСА.

Составить слова из слова марс (планета)