Новую планету решено было назвать Нептуном в честь древнеримского покровителя морской стихии. Повелевающий бурями Нептун приходился родным братом Юпитеру, вместе с которым он поделил господство над миром после низвержения титанов. По жребию ему досталось в удел море, тогда как венценосный громовержец обосновался на Олимпе и стал управлять горними высями. Их третий брат - ужасный Плутон (другое его имя - Аид) - поселился во "мрачных пропастях земли" и сделался владыкой царства мертвых.
С момента открытия восьмой планеты Солнечной системы прошло больше полутора веков, но один нептуновский год минул только в 2011 году, так как Нептун, удаленный от Солнца на 4,5 млрд км (или 30 а. е.), совершает полный цикл за 165 земных лет. По своим физическим параметрам он мало отличается от Урана, немного уступая ему в размерах (диаметр Нептуна составляет почти 49 530 км), но ощутимо превосходя по массе (17 масс Земли), что объясняется его большей средней плотностью (примерно 1,64 г/см). От Солнца Нептун получает в 900 раз меньше тепла, чем наша планета. Однако в отличие от спокойного Урана интенсивность теплового излучения недр восьмой планеты почти втрое превышает приток солнечной энергии извне. Этот феномен связывают с распадом тяжелых радионуклидов в ее ядре.
Из-за огромной удаленности Нептуна изучение его поверхности сопряжено со значительными трудностями. Однако голь на выдумки хитра. Воспользовавшись уникальным взаимным расположением Земли и планет-гигантов, космический зонд "Вояджер-2" умудрился проскользнуть в 1989 году на расстоянии 5000 км от Нептуна, сумев разглядеть некоторые детали его облачной шубы. В южном полушарии планеты обнаружено Большое темное пятно размером с Землю, стремительно дрейфующее в западном направлении со скоростью 325 м/с. Ветра, дующие в атмосфере Нептуна, тоже не фунт изюму: их скорость достигает 400–700 м/с. Земные ураганы, срывающие кровли с домов и опрокидывающие железнодорожные составы, на этом фоне не более чем ласковый морской бриз. У планеты выявлено магнитное поле, в два раза уступающее по мощности магнитному полю Урана, а также система колец, некоторые из которых представляют собой незамкнутые образования наподобие арок.
Как и все остальные газовые гиганты, Нептун - водородно-гелиевый мир, причем на долю гелия приходится не более 15 %, а метана и того меньше - около 1 %. Специалисты предполагают, что под облачным слоем лежит обширный водяной океан, насыщенный ионами различных химических элементов.
Лето на Нептуне долгое - 40 лет, но загореть или искупаться надежды нет: температура там –200 °C.
Значительное количество метана, по-видимому, содержится глубже, в ледяной мантии планеты. Даже при температуре в тысячи градусов при давлении в 1 Мбар (то есть в миллион раз больше, чем на поверхности Земли) смесь воды, метана и аммиака может образовывать твердые льды. На долю горячей ледяной мантии, вероятно, приходится 70 % массы всей планеты. Около 25 % массы Нептуна должно, по расчетам, принадлежать ядру, состоящему из окислов кремния, магния, железа и его соединений, а также каменных пород. Модель внутреннего строения планеты показывает, что давление в ее центре около 7 Мбар, а температура - около 7000 К.
У Нептуна имеется 13 спутников, но наиболее примечателен крупнейший из них - Тритон, имеющий в поперечнике 2705 км. Обращаясь вокруг материнской планеты на расстоянии 355 тыс. км (примерно такое же расстояние отделяет Луну от Земли), он единственный из всех спутников Нептуна движется по орбите в обратном направлении. Поверхность Тритона, температура у которой не превышает 38 К (–23 °C), представляет собой трещиноватую равнину, напоминающую дынную корку. Предполагается, что под ледовым панцирем толщиной около 200 км лежит водный океан глубиной 150 км, насыщенный аммиаком, метаном и солями.
Однако самая большая загадка Тритона - это его вулканическая активность. Специалистам пришлось даже придумать специальный термин - криовулканизм, то есть вулканизм при низких температурах, ибо никому в голову не могло прийти, что насквозь промерзшие миры на задворках Солнечной системы могут обладать хоть какой-то вулканической активностью. Представьте себе гейзер, взламывающий азотный лед на поверхности планеты и взлетающий на высоту до 8 км. При этом толщина столба тоже весьма внушительная - от 20 м до 2 км. Вспорхнувшая в поднебесье струя развеивается ветрами (у Тритона есть разреженная атмосфера, состоящая из азота, небольшого количества метана и водорода) и превращается в шлейфы, тянущиеся на 150 километров.
Тритон на 70 % сложен из силикатов и на 30 % из льдов, в состав которых входят азот, окись углерода и метан. Криовулканизм внятного объяснения пока не получил, но некоторые ученые полагают, что он может быть связан с приливным разогревом поверхности планеты, а также с проникновением солнечной радиации через полупрозрачные верхние слои льда.
По сравнению с Тритоном, который лишь немногим меньше Луны, Нереида, имеющая в поперечнике какие-то жалкие 340 км, смотрится совершенной крохой. Тем не менее это третий по величине спутник Нептуна, прежде всего, интересный тем, что обращается вокруг материнской планеты по чрезвычайно вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0,75. Такие орбиты сплошь и рядом встречаются у комет, которые то приближаются к Солнцу, истаивая в пламени его хромосферы, то улетают во мрак и холод далеких окраин Солнечной системы.
Масштабы проблемы космического мусора, оставленного людьми, огромны, так как вблизи Земли вращаются более 17 тыс. объектов размером более 10 см. Дело осложняется еще и тем, что каждый из крупных объектов потенциально может, в свою очередь, расколоться на тысячи более мелких. Ученые предложили направлять специальные спутники к самым крупным фрагментам космического мусора, таким как, например, отработанные ракеты. Эти аппараты прикрепят к ним ускорители, позволяющие направить ракеты к Земле, и при входе в атмосферу они сгорят.
Земля
Естественная история
Около 4,6 млрд лет назад в том месте космического пространства, где мы сейчас находимся, образовался и стал сжиматься огромный вихрь газа и пыли поперечником 24 млрд км. Почти все - 99,9 % массы Солнечной системы - ушло на создание Солнца. Из оставшегося "в свободном полете" вещества две микроскопические частицы сошлись достаточно близко, чтобы быть притянутыми друг к другу электростатическими силами. Это был момент зачатия нашей планеты.
То же самое происходило по всей зарождающейся Солнечной системе. Сталкивавшиеся частицы пыли образовывали все более крупные комки. В конце концов комья выросли до таких размеров, чтобы называться планетезималями. Без конца сталкиваясь друг с другом, они распадались на части и вновь соединялись в самых разнообразных сочетаниях, но в каждом столкновении был победитель, и некоторые из них становились достаточно большими, чтобы господствовать на той орбите, по которой они двигались. Все это происходило удивительно быстро по космологическим меркам. Чтобы крошечное скопление частиц выросло в зародыш планеты поперечником в сотни километров, потребовалось лишь несколько десятков тысяч лет.
Всего за двести миллионов лет, а возможно, и быстрее, Земля, по сути, полностью сформировалась, хотя и находилась еще в расплавленном состоянии, подвергаясь непрерывной бомбардировке носящимися кругом остатками строительного мусора.
В этот момент, примерно 4,4 млрд лет назад, с Землей столкнулся объект размером с Марс, выбросив такое количество вещества, что его хватило для создания сопутствующей нам Луны, которая оказалась больше иных планет! Полагают, что выброшенное вещество за несколько недель собралось в один рыхлый ком, а за год сформировалось в сферическое каменное тело, которое с тех пор и сопровождает нас.
Большая часть лунного вещества происходит из внешних слоев Земли, а не из ядра. Поэтому на Луне так мало железа, тогда как у нас его много.
Помимо Луны, еще 6 астероидов сопровождают Землю, двигаясь близко к ее орбите вокруг Солнца. Один из них - Круинья, диаметром более 5 км, находится в 15 млн км от Земли. Так что с некоторой натяжкой можно сказать, что у Земли 6 спутников, а не один.
Когда Земля имела лишь около трети своих окончательных размеров, она, возможно, уже стала формировать атмосферу, главным образом из углекислого газа, азота, метана и серы. Вряд ли это те вещества, которые у нас ассоциируются с жизнью, и тем не менее именно из этого ядовитого варева образовалась жизнь. Углекислый газ обладает мощными парниковыми свойствами. Это оказалось очень кстати, потому что в то далекое время Солнце светило значительно слабее. Не будь парникового эффекта, Земля вполне могла постоянно оставаться замерзшей, и жизни, возможно, было бы просто не за что зацепиться.
Но, так или иначе, жизни это удалось. В следующие 500 млн лет юная Земля по-прежнему неослабно обстреливалась кометами, метеоритами и всякими другими космическими обломками, которые принесли воду, чтобы заполнить океаны, и компоненты, необходимые для успешного возникновения жизни. Окружающая среда была исключительно враждебна, но жизнь каким-то образом развивалась. Крошечный комочек химических веществ дернулся и ожил.
Итак, на фоне эволюционных процессов в истории Земли случались и своеобразные "революции". Конечно, их никто не проводил и не возглавлял. Это были естественные явления, вызванные силами, таившимися в глубинах Земли или имевшими неземное, космическое происхождение. Но явления были катастрофического характера. После таких коллизий, можно сказать, испытаний, облик Земли совершенно менялся. Что-то исчезало, притом безвозвратно. Что-то, чего просто не могло раньше быть, обретало теперь возможность выйти на сцену.
Следы таких катастроф тем труднее установить, чем они древнее. Но следы всегда остаются, тем более что катастрофы- то были грандиозными! Между тем, названные явления не просто "интересные". Они представляют собой важнейший научный ресурс: их изучение позволяет объяснить очень существенные особенности эволюции нашей планеты. Это - геологическая история, "естественная история" Земли.
Образование и эволюция Земли
Как мы уже знаем, согласно современной теории происхождения планет, Земля образовалась таким же способом, каким наши дети лепят из пластилина лошадок и клоунов. Да, похоже, есть что-то верное в распространенном мифе о том, как Бог лепит вещи мирские из глины. Частицы космической пыли слепливались друг с другом, пока ком не вырастал настолько, что начинал притягивать более мелкие "лепешки" по пути своего следования.
Массы наибольших тел, падавших на Землю, оцениваются по наблюдаемому сейчас наклону оси вращения Земли. Как известно, вращение планет состоит из двух компонентов разной природы: регулярного прямого вращения, связанного с вращением всей системы, и нерегулярного, случайного. Вот это-то, последнее вращение и возникает в результате падения на планету крупных тел: падение определяет наклон оси ее вращения. Если угол наклона земной оси равняется 23,5°, то масса самых крупных космических камней, падавших на Землю при ее образовании, должна была достигать 0,001 массы Земли! Следовательно, поперечник их мог быть порядка 1000 км и даже более. Вот на вас летит каменюка размером с Украину. Вы находитесь во Франции или даже в другом полушарии, в Нью-Йорке - безразлично: вас это не спасет! Трудно вообразить катастрофические масштабы происшествия, если тело весом 1018 т (один квинтильон тонн) падает со скоростью 11 км/с и сталкивается с твердью земной. Как бы нам это представить? Если в планету попадает камень в несколько десятков километров в диаметре, получается нечто вроде лунных морей. Выделившейся при ударе энергии достаточно, чтобы нагреть на несколько сотен градусов слой толщиной раза в полтора больше поперечника упавшего тела. Считаем: при диаметре астероида 1000 км глубина разогрева могла достигать 1500 км. Если часть энергии падения уходит внутрь планеты, поверхностные слои могли нагреться до более чем на 1000 °C. Такая глобальная банька. Или печка.
Самый редкий на Земле химический элемент - радиоактивное вещество астат. Его содержание во всей земной коре составляет менее 1 грамма.
Формирование Земли как планеты, сопровождавшееся падением астероидов и метеоритов, продолжалось около 100 млн лет. Довольно долго, не правда ли? Но если мы вспомним, что возраст Земли равен 4,5–5 млрд лет, то получается, что образование ее из астероидов и метеоритов заняло лишь 2 % времени всей жизни нашей планеты. Если смотреть на дело "биографически", это время вполне можно назвать "ранним детством" Земли.
И вот рой астероидов, окружавших Землю, за 100 млн лет рассеялся. Падения метеоритов стали реже. Масса планеты сделалась примерно такой, какой она есть сейчас. Детство Земли прошло, наступила ранняя юность, о которой, кстати, мы знаем еще очень мало.
Как и все юные создания, Земля была горячей. Это подтверждают исследования древнейших пород возрастом 4–3 млрд лет, обнажающихся на земной поверхности в ряде мест, например в Гренландии. Оказывается, первоначально это были вулканические породы, возникшие в результате излияния на земную поверхность базальтовых лав.
Сейчас все больше специалистов склоняются к мнению, что первоначально недра Земли были разогреты. На глубине нескольких десятков километров существовал слой, где породы были в расплавленном состоянии. Эти расплавы изливались на поверхность. Юность Земли продолжалась дольше, чем детство. И это была пора почти сплошных вулканических излияний. Планета оставалась юной, по-видимому, много сотен миллионов лет, и ее поверхность была почти сплошь усеяна активными вулканами. Излившаяся лава застывала, согревая окружающее пространство. Так образовалась первичная земная кора. Температура на поверхности Земли снижалась, и наступил момент, когда выделявшиеся из недр Земли водяные пары конденсировались в жидкую воду. С этого времени начинается так называемое геологическое время, геологическая стадия развития Земли.
Эры, этапы, платформы, плиты и пояса
Геологические процессы можно разделить на два типа. С одной стороны, это излияние лав и подъем или опускание земной коры под действием подземных вулканических и иных сил. С другой - процессы разрушения, эрозия горных пород, перенос их водами и ветром по земной поверхности. Пока на Земле вода была только в парообразном состоянии, переноса горных пород практически не происходило. Вулканические горы еще не размывались, а пониженные места между вулканами не заполнялись осадками. С появлением на Земле жидкой воды впервые возникли осадочные породы, отлагавшиеся в неглубоких еще тогда морских водоемах. В результате поверхность планеты стала более ровной, поскольку высокие вулканы разрушались и постепенно исчезали, если подземный очаг переставал работать. Хотя поверхность планеты уже остыла, на небольшой глубине земные породы были по-прежнему разогреты и потому достаточно пластичны.
Алмазы образуются в земной коре на глубине более 200 км. Только благодаря извержениям вулканов алмазы переносятся на глубины, досягаемые для человека. Средний возраст любого бриллианта - около полутора миллиардов лет. Поэтому эти камни так дороги. И, вероятно, поэтому они - "лучшие друзья девушек"!
Следующая стадия эволюции коры начинается 3–2 млрд лет назад. К этому времени земная кора уже остыла на всю глубину (20–40 км) и приобрела необходимую хрупкость. В местах максимальных напряжений земная кора стала трескаться. Возникли глубинные разломы. Вдоль них образовались прогибы, где накапливались многокилометровые толщи осадков.
По сохранившимся в породах остаткам существовавших ранее животных и растений (с "архебиологической", так сказать, точки зрения) историю Земли обычно делят на несколько эр: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Последние три эры, в свою очередь, делятся на геологические периоды. Разработанные в XX веке методы определения абсолютного возраста горных пород по скорости радиоактивного распада показали, что длительность эр неодинакова.
А теперь о том, из чего Земля состоит геологически. Платформой геологи именуют область с двухъярусным строением: внизу - смятый в складки плотный фундамент, выше - полого лежащий рыхлый осадочный чехол.
Различают Североамериканскую, Восточно-Европейскую, Сибирскую, Южноамериканскую, Африканскую, Индийскую, Китайскую и Австралийскую платформы. В пределах платформ выделяют два вида структур - щиты и плиты. Первые вплоть до настоящего времени испытывали поднятия; в их пределах осадочный чехол отсутствует. На щитах длительно (до миллиарда лет) идет размыв кристаллических пород фундамента, благодаря чему на дневную поверхность выходят породы с возрастом 2–4 млрд лет.
Плитами называются пространства платформ, фундамент которых перекрыт осадочным слоем. Крупные отрицательные структуры (прогибы) в пределах плит именуются синеклизами. По форме синеклиза напоминает пологое блюдце.
Еще один класс структур земной коры - геосинклинали. Это длинные, протягивающиеся на многие сотни километров, относительно узкие и глубокие прогибы земной коры, обычно ограниченные разломами и заполненные мощными толщами осадочных и вулканических горных пород, которые в результате длительных и интенсивных тектонических деформаций превращаются в сложную складчатую структуру - часть горных сооружений. Важнейшая отличительная их черта - много бóльшая контрастность движений по сравнению с платформами.
Образованию геосинклинального пояса предшествовало заложение системы разломов большой протяженности (тысячи километров) и глубокого залегания. В результате поверхность земного шара оказалась состоящей из "обломков" древних платформ, разделенных геосинклинальными поясами. Наиболее протяженным является Тихоокеанский пояс, обрамляющий с востока, севера и запада впадину Тихого океана. Следующий по величине - Средиземноморский пояс. Он начинается в районе Гибралтарского прогиба и протягивается через Средиземное море, Кавказ, Памир и Гималаи в Зондский архипелаг, где сливается с Тихоокеанским поясом. Кроме того, выделяют Урало-Монгольский, Атлантический и Арктический геосинклинальные пояса. Последние два из них в значительной степени перекрыты океанами и на поверхность выходят лишь их краевые части.
Бриллианты горят. Сжечь бриллиант легче, чем его золотую или платиновую оправу. При температуре выше 900 °C алмазы сгорают дотла.
Платформы по традиции объединяют в две группы: северную и южную. Северная именуется Лавразиатской. В нее входят три платформы: Североамериканская (бóльшая часть Северной Америки и Гренландии), Восточно-Европейская (практически вся Европа) и Сибирская (Россия между реками Енисей и Лена). Южная группа платформ именуется Гондванской. Ученые говорят, что 200–300 млн лет назад все платформы южного полушария (Бразильская, Африканская, Индийская и Австралийская) составляли единый гигантский материк - Гондвану.
Сравнительное изучение геологических структур с разной историей позволило установить, что развитие нашей планеты имело определенную периодичность. Длительные циклы преобладавшего погружения, сопровождавшиеся накоплением осадков, сменялись более кратковременными периодами поднятий, складкообразования и размыва. Обнаружены циклы разных порядков.
Наиболее крупными за последние 500–600 млн лет геологической истории являются каледонский, герцинский и альпийский геотектонические этапы. Длительность каждого из них оценивают приблизительно в 180 млн лет.