Эфир (Часть 5) Космические вихри

О.Е. Акимов

В предыдущей части была проанализирована физика Рене Декарта и Исаака Ньютона. Кто из двух названных ученых оказался ближе к истине? Наши симпатии однозначно на стороне Декарта. Особенно поражает угаданная им общая картина Вселенной, которую мы наблюдаем на примере ячеек Бенара.

Ячейки Бенара

Посмотрите, перед нами обыкновенная сковородка с налитым в нее парафином, подкрашенным алюминиевой пудрой. Сковорода стоит на плите, подогревается снизу. Сверху парафин, естественно, имеет более низкую температуру, чем снизу. Он охлаждается за счет окружающего воздуха. При определенных условиях гладкая и непрерывная поверхность густой жидкости разбивается на отдельные ячейки довольно регулярной формы и определенного размера.

Конвекция

Причиной появления ячеечной структуры выступает конвекция – вихревое движение, вызванное разностью температур парафинового слоя. В центре ячейки разогретый парафин поднимается вверх и течет к периферии ячейки. По боковым сторонам ячейки он, слегка охлажденный, стекает вниз на дно сковородки. При определенной разности температур, высоте слоя, физико-химических свойств жидкости, в частности, ее массы, вязкости, сил поверхностного натяжения, силы тяжести в данной местности и т.д., коллективный вихревой процесс приобретает устойчивый характер.

Поверхность Солнца

При искусственном разрушении ячеек, по прошествии какого-то времени, они снова восстанавливаются. Это указывает на саморегуляцию данного конвекционного процесса. Когда тепловой обмен осуществляется ламинарным, т.е. сравнительно медленным и плавным, течением жидкости, восстановление регулярной структуры густой жидкости возможно. Но если ламинарный поток переходит в турбулентный, хаотический, саморегуляция уже затруднена или вовсе невозможна. В таком случае жидкость просто начинает кипеть, как это мы видим на поверхности Солнце.

Конвекционные слои на Солнце

Тем не менее, некоторые теоретики считают, что под хромосферой и фотосферой Солнца имеется зона конвекции, разбитая на более или менее регулярные ячейки. Другие исследователи говорят о двух конвекционных слоях или даже большем числе слоев, которые имеют увеличенные размеры. Какой-то общепринятой теории на этот счет не существует.

Бенар

Рэлей

Анри Бенар, французский физик, именем которого названы ячейки, на рубеже веков – XIX и XX – изучал вихревое поведение в различных вязких средах эмпирически, экспериментальным путем. Открытое им явление изучалось, конечно, и теоретиками, например, лордом Рэлеем. Ячейки Бенара часто называются ячейками Бенара – Рэлея, поскольку последний вывел формулу для так называемого числа Рэлея. Увы, эта формула не слишком нам помогает, когда мы имеем дело с природными явлениями, происходящими у нас на кухне или в космосе. Между тем, природа происходящих и там и там процессов, практически, одна и та же. Разумеется, к ясным и однозначным конвекционным процессам, часто примешиваются сложные вихревые и скрытые резонансные формы движения материи.

Конвекция типа колец Юпитера

Форма и динамика изменения ячеек Бенара, как мы видели, может быть различной. На сфере они могут выглядеть сплеснутыми и вытянутыми, не так как они выглядят здесь, на рисунке. Главным отличительным признаком является наличие разности температур, которая вызывает конвекционный градиент, направленный на выравнивание температур. Если температурный градиент постоянно поддерживается каким-то источником тепла, то энтропия системы может не возрастать, а убывать или поддерживаться на неизменном уровне. Таким образом, конвекционная область – какую бы замысловатую форму она ни принимала – часто приводит к самоорганизации или авторегуляции процессов, происходящих в газовых, жидких и даже вполне твердотельных системах. Одной из таких упорядоченных систем является наша родная планета.

Конвекция атмосферы Земли

Сначала рассмотрим конвекционные процессы в атмосфере, которые однозначно характеризуются направлением и силой ветра. Издавна различают шесть поясов – три северных и три южных, разделенных экватором. Таким образом, система поясов получается симметричной – два полярных пояса, два в умеренных широтах и два в тропических, прилегающих к экватору.

Струйные ветры

В первой половине прошлого века по мере развития авиации с помощью воздушных зондов стали фиксировать мощные струйные ветры. Они представляют собой узкий поток с почти горизонтальной осью в верхних слоях атмосферы (тропосфере или в нижней стратосфере). Длина струй – от нескольких сот до нескольких тысяч километров. Минимальная скорость течения струи 30 м/с, но всё зависит от их местоположения.

Боковой снос струй холодными и горячими потоками, дующими с полюсов

Различаю четыре потока два в северном полушарии и два в южном. В районе 60º параллели на высотах порядка 6-8 км скорость струи от 60 до 100 м/с. Субтропические струи в районе 30º параллели дуют со скоростью от 150 до 200 м/с. В северных широтах они, как правило, дуют сильнее, чем в южных. Струи подвергаются боковому сносу благодаря проникновению холодных масс с северного и южного полюса. Им противостоят теплые массы, дующие со стороны зоны, расположенной ближе к экватору. В итоге, струйные течения извиваются подобно змеям.

Циклон и антициклон как взаимодействие ротора и дивергенции в атмосфере

В местах соприкосновения потоков различной направленности часто возникают циклоны и антициклоны, которые требуют также восходящих и нисходящих потоков. Дивергенция, т.е. поступательное движение жидкой или газообразной массы, вызывает ротацию, т.е. вращательное движение, и наоборот. Эти направления тесно взаимосвязываются и усиливают друг друга.

Конвекционные ячейки атмосферы Земли

Так возникает сложная система конвекционных ячеек, принцип действия которых немногим отличается от принципа действия простейших ячеек Бенара. Две прилегающих к экватору ячейки носят имя английского ученого метеоролога и одновременно блестящего юриста Джорджа Хэдли, родившегося в год написания Ньютоном "Математических начал", т.е. в 1685 году.

Реальная циркуляция атмосферы

Сейчас перед нами анимационная модель CAM5, показывающая формирование и выпадение водных осадков на всей поверхности Земли. На экране вашего дисплей видно, как зарождаются и угасают ураганы и циклоны, чаще всего развивающиеся на акваториях Тихого и Атлантического океанов. Подобные метеорологические модели позволяют проводить фундаментальные исследования климата Земли, который во многом определяется динамикой ее атмосферы.

Вечный океан

Вечный океан – это еще одно творение НАСА, которое на сей раз касается водной стихии. Принято считать, что океанические течения преимущественно ламинарные, во всяком случае, многие думают, что число вихрей в воздушной среде намного больше, чем в водной. Данное видео опровергает такое предубеждение. Визуально сравнивая картину вихрей, показанную в предыдущем видео, и в этом, мы убеждаемся, что их количество заметно больше во втором случае.

Густов Кориолис

Почему так происходит? Ведь в толще океана температурный градиент, т.е. разность температур между водными слоями, существенно меньше? Всё дело в том, что ко всем вращательным движениям масс на поверхности Земли – будь то воздушная или водная среда – добавляется вращательный момент, вызванный силой Кориолиса. Его мощь напрямую зависит от трения между движущимися слоями среды. Поэтому водные вихри имеют меньший радиус, чем воздушные. Водный ротор плоский, он не имеет глубокой дивергенции, вызванной опусканием или поднятием водных масс, имеющих различную температуру нагрева.

Формула для силы Кориолис

В атмосфере Земли возникают вихри огромной высоты – торнадо – где силы Кориолиса в момент зарождения и развития ротора играет вторичную роль. Здесь на первый план выдвигается разность температур. Таким образом, в глобальном масштабе физика атмосферного вихря ближе к ячейке Бенара, чем физика океанического вихря, вызванного закручиванием под действием силы Кориолиса.

К сказанному добавим, что Густав Кориолис французский математик и механик, который подошел к метеорологическим явлениям, в отличии от Джорджа Хэдли, с точки зрения строгой математики. Векторную формулу, определяющую величину силы Кориолис он получил в 1835 году.

Планеты Солнечной системы

Теперь перенесемся на край Солнечной системы, к четырем планетам-гигантам: Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну. Прежде всего, обратим внимание на химический состав этих планет. Как видно из этой таблицы, в основном они состоят из водорода и гелий, на третьем месте стоит метан, который существенно уступает первым двум элементам в процентном соотношении, остальных составляющих летучих элементов ничтожно мало. Поэтому эти четыре планеты являются газовыми гигантами.

Химический состав планет-гигантов

Внутреннее строение планет-гигантов примерно одинаковое: сравнительно небольшое по размеру ядро из металлического водорода, мантия из молекулярного водорода, гелия с добавлением небольшого содержания метана, аммония и других компонентов, включая воду, которые находятся в атмосфере в виде облаков.

Внутреннее строение планет-гигантов

Взгляните на таблицу Менделеева. Водород стоит в первом столбце, значит, он относится к металлам. При высоком давлении он превращается в проводящий материал, следовательно, в ядрах планет-гигантов текут вихревые токи, и создается мощное магнитное поле.

Таблица Менделеева

Гелий – инертный газ, стоит в одной группе с неоном, аргоном, криптоном и т.д. Вопрос: как наилегчайший элемент, водород, оказался в центре планеты? Ведь на Земле он находится над плотной атмосферой, состоящей на 78 % из азота, на 21 % из кислорода, немного имеется аргона 0,93 %, столько же (около процента) водяных паров, углекислого газа 0,04 %, остальных летучих элементов ничтожно мало.

Состав фотосферы Солнца

Понятно, что в процессе формирования и постепенного развития все ингредиенты Солнечной системы перемешались. И всё-таки кажется удивительным водородно-гелиевый состав планет-гигантов. Они действительно походят на потухшие звезды, как говорил Декарт, применительно, правда, ко всем планетам Солнечной системы. Посмотрите на состав фотосферы Солнца: 73,5 % – водорода, 25 % – гелия. Эти два компонента обеспечивают ход термоядерной реакции, характерной для всех звезд. Синтез атомов гелия из атомов водорода мог бы идти и внутри планет-гигантов, так как высокое давление в ядре вполне обеспечивает нужную температуру для ядерного синтеза.

Вертикальная структура атмосферы Юпитера

Взгляните на ход температурной кривой, которую зафиксировал зонд, спущенный с космического аппарата "Галилео". Зонд смог опуститься на глубину -132 км (за 0 здесь принят уровень, где давление равно 1 бару, т.е. одной атмосфере или 750 мм рт. ст.). Помимо давления зонд измерял температуру. На глубине -132 км температура по Кельвину была больше 450 градусов. Напомним, стандартная "комнатная температура" равна 300 градусам по Кельвину. При давлении в одну земную атмосферу температура понизилась до 150 градусов по Кельвину, а выше 320 км наблюдался быстрый температурный рост, так что на высоте 1000 км, при очень разряженной атмосфере Юпитера, температура достигла 1000 градусов по Кельвину.

Масса планет Солнечной системы

В Солнце сосредоточена подавляющая часть всей массы системы, т.е. 99,9 %. Газовые гиганты составляют 99 % оставшейся массы Солнечной системы. При этом большая часть приходится на Юпитер и Сатурн. Юпитер составляет 71 % от всей массы планетной системы; Сатурн – 21 %; Нептун – около 4 %, Уран – чуть больше 3 %. Для лучшей ориентации в Солнечной системе приведем таблицу ее параметров.

Параметры планет Солнечной системы

Здесь все параметры Земли приняты за единицу. Тогда диаметр Юпитера равен 11 диаметрам Земли, Сатурна – свыше 9 диаметров Земли, а Уран и Нептун – почти в четыре раза больше Земли. Несмотря на то, что эти гиганты состоят из смеси легких газов, их вес огромен. Юпитер весит в 318 раз больше Земли или в 2,5 раза массивнее всех остальных планет, вместе взятых; Сатурн – почти в 100 раз массивнее Земли. А теперь обратите внимание на суточное обращение планет-гигантов вокруг собственной оси. На Юпитере сутки длятся менее 10 часов, т.е. составляют 0, 414 от земных суток. Почти такая же длительность суток на Сатурне.

Торнадо – это огромный воздушный смерч

Что это означает с точки зрения вихревого движения этих больших масс? Скорость вращение материальной точки, находящейся на экваторе Земли равна 465 м/с, а экваториальная скорость вращения Юпитера равна 12,5 км/с или 45 300 км/ч. Теперь представьте себе, насколько возрастают силы Кориолиса на поверхности этого газового гиганта.

Разрушительные последствия, оставленные Торнадо

Вспомните картину воздушных турбулентностей в атмосфере Земли, которые порождают торнадо, циклоны и ураганы. Все они возникают по причине конвекции, усиленные во много раз силами Кориолиса. Те же вихревые движения наблюдаются в океанах. Поскольку вода тяжелее воздуха, силы Кориолиса вызывают моменты кручения в воде намного больше, чем в воздухе, а радиусы закручивания вихрей в воде существенно меньше, чем радиусы атмосферных циклонов и антициклонов. Зато в атмосферной толще могут возникать торнадо – узкие, вертикальные трубки, медленно перемещающиеся по Земле. Вращающиеся трубки захватывают сравнительно небольшие массы воздуха по сравнению с вращающимися массами воздуха в антициклонах. Однако скорость ветра вблизи поверхности трубки такова, что под его напором срываются крыши и разрушаются стены домов.

Поглощение одного вихря другим

На газовом гиганте наблюдаются аналогичные процессы, которые хорошо видны даже издали. Иногда на Земле фиксируется любопытное явление – вот посмотрите. На экране между двумя телеграфными столбами вы видите два вихря. Левый вихрь быстро приближается к правому, который стоит неподвижно. Затем, левый быстро перемещающийся вихрь буквально уничтожает правый и, как ни в чем не бывало, продолжает свое поступательное движение. Через некоторое время он тоже прекращает свое существование.

Объединение трех вихрей в один в атмосфере Юпитера

А эти снимки сделаны в разное время через телескоп, направленный на Юпитер. 18 сентября 1997 года наблюдались три вихря, обозначенные здесь как FA, DE и BC. 16 июля 1998 года вихри DE и BC объединились, превратившись в один вихрь BE. 14 октября 1999 года было зафиксировано, что вихрь FA заметно приблизился к вихрю BE, а 2 сентября 2000 года они объединились в один вихрь BA. Таким образом, с сентября 97 года по сентябрь 2000-го года произошло объединение трех вихрей в один, который оказался чуть больше каждого из трех.

Возможно, что Красное пятно тоже получилось
в результате слияния большого числа
вихрей меньшего размера

Можно предположить, что Большое красное пятно получилось за счет слияния многих, многих сотен, быть может, тысяч сравнительно небольших вихрей. Такое слияние становится возможным благодаря быстрому вращению Юпитера. Благодаря силам Кориолиса все вихревые движения становятся устойчивее, а значит, и долгоживущими.

Вихревая "клякса" на поверхности Сатурна

Большие вихри наблюдаются и на других газовых гигантах. Эта клякса показалась над кольцом Сатурна, в его северных средних широтах. Постепенно клякса размазалась, оставляя за собой разноцветный след, по которому можно судить о химическом составе газовой поверхности Сатурна.

Большое темное пятно на Нептуне

В 1989 году космический аппарат "Вояджер 2" обнаружил Большое темное пятно и на Нептуне, которое, однако, в 1994 году полностью исчезло. Полагают, что пятно представляло собой дыру в толще метановой атмосфере, а над дырой постоянно витали белые облака из аммиака. По их перемещению была измерена скорость ветра в районе дыры. Неожиданно она оказалось самой большой, из всех наблюдаемых скоростей, дующих на планетах-гигантах. Открытое "Вояджером 2" пятно исчезло, но с помощью телескопа "Хаббл" было зафиксировано новое большое пятно.

Гексагон на северном полюсе Сатурна

Юпитер богат на разнообразные вихревые явления. Однако на Сатурне астрономы столкнулись с уникальным явлением, которого нигде больше не наблюдали. Вот полюбуйтесь: внизу мы видим развертку Юпитера, вверху – северный (он слева) и южный (он справа) полюса Сатурна. На северном полюсе вращается вихрь странной формы – не в виде овала – пусть даже неправильной формы, как на южном полюсе – а в виде правильного шестиугольника. Как он получился? Сегодня эту загадку удалось решить.

Звезда Давида

Конечно, нашлась люди, искатели истины, которые устремилась по религиозно-мистическому пути. Они увидели в шестиугольнике звезду Давида. Дальше развивать их ход мыслей не станем, поскольку все знают, куда ведет библейская дорога, по которой бредут толпы заблуждающихся.

Мистицизм убивает науку

Хорошо, если к Богу, но чаще всего она ведет к Каббале, мистике и прочим художественно-эзотерическим фантазиям, которые описаны в одном из разделов книги "Конец науки". (13. Ответы О.Е. Акимова — А.П. Стахову (I)). Каббала – это одно из направлений более широкого общественного течения, которое получило общее название Нью-Эйдж (New Age – Новая Эра). Его также называют Эрой Водолея, которая продлится примерно 2,5 тыс. лет и которая, по мнению последователей Нью-Эйджа, ознаменуется грандиозным скачком в духовном и ментальном развитии человечества.

Эзотерические арабески

У этого движения нет штаб-квартиры, которая была бы построена на средства, собранные его приверженцами. Нет вообще никакой организации, никакой структуры. В рамках этого широкого и не определяемого конгломерата движений и учений есть и организованные церкви со своим духовенством, и группы, представленные в парламенте, и всемирно признанные лидеры. Однако ни одна из этих частных организаций не может представлять Нью-Эйдж в целом. Под влиянием Нью-Эйджа возникло немало течений целительства, использующих различные приёмы нетрадиционной медицины – от народных знахарских рецептов и шаманских церемоний до высококвалифицированной психотерапии и сложных методик биолокации организма с применением высокотехнологичного оборудования.

Рационалист-конструктивист — вот, кто настоящий ученый

Рационалисты-конструктивисты обратились к прозаическим вещам. Скажите, какой тип турбулентности чаще всего встречается на Юпитере и остальных газовых гигантах? Правильно, более или менее регулярная вихревая цепочка Кармана. Напомним. Теодор фон Карман является наиболее известным теоретиком первой половины XX столетия в области аэродинамики. Аэро- и гидродинамика, как и механика в целом, постоянно напоминают нам о колоссальном влиянии эмпирии на формирование теории. Без эксперимента и моделирования здесь никак не обойтись.

Теодор фон Карман

Какой бы раздел науки мы не взяли – будь то механика или электромагнетизм – деление ее на прикладную и фундаментальную легко обнаруживает себя. И только космология, возникшая на базе релятивистской и квантовой механики, состоит преимущественно из фундаментальной части. По причине отсутствия в ней сколько-нибудь значительного прикладного раздела она выглядит как бы и не наукой, а некой философией, которая путем недобросовестных рассуждений, в принципе, чуждых настоящей физике, внедрилась в тело естествознания и заняла в нем чуть ли не главенствующее положение.

Опасайтесь космологических фантазий!

Колин Уилсон создал прекрасную модель, демонстрирующую, как получается шестиугольник вихрей на южном полюсе Сатурна. Установка состоит из двух вращающихся с разной скоростью деталей. Эти детали моделируют планету и ее атмосферу, в качестве которой выступает обыкновенная вода. В воде возникает цепочка Кармана. Биения вихрей в ней связаны с различной частотой вращения модельной планеты и ее атмосферы.

Бегущая цепочка вихрей Кармана

Цепочка Кармана является бегущей волной, а на полюсе Сатурна возникает стоячая волна. В зависимости от кратности частот вращения планеты и атмосферы, теоретически можно получать любое разумное количество стоячих волн. На представленной установке получали от двух до восьми стоячих волн. Ограничение на устойчивость вихрей накладывается скорость водного потока. При малых скоростях сила Кориолиса мала и никаких турбулентных завихрений не возникает.

Стоячая волна из шести вихрей цепочки Кармана

... из семи завихрений,

... из трех,

... из двух, которая реализуется ...

... на южном полюсе Венеры

На последней фотографии были показаны две стоячих волны. На южном полюсе второй планеты Солнечной системы космический аппарат Венера-Экспресс тоже обнаружил два антициклона, которые, однако, не образуют устойчивой системы. Колин Уилсон смоделировал на компьютере этот тип неустойчивости. Сейчас мы видим, каким образом происходит перестройка одного строго кругового вихря – в два слегка вытянутых вихря. На эту трансформацию уходит 3400 часов (время указано в левом верхнем углу монитора).

Колин Уилсон смоделировал перестройку одного
кругового вихря в два слегка вытянутых вихря

Теперь, что касается динамики атмосферы Венеры в целом. Зачитаем несколько строк из пресс-релиза Институт космических исследований РАН, которое называется "Масштабное исследование циркуляции верхнего яруса облаков Венеры". Исследовались перемещения облаков на высоте около 70 км. Напомним, атмосфера Венеры на 96 процентов состоит из углекислого газа и на 4 процента азота (примерно, конечно); кислорода, водяных паров практически нет. Поверхность планеты закрыта плотным сернокислотным туманом и облаками, которые как раз и поднимаются на высоту 70 км.

График для понимания процессов,
происходящих в атмосфере Венеры

Читаем: "Исследователи установили, что за прошедшее венерианское десятилетие скорость среднего зонального потока в низких широтах выросла с 85 м/с в начале миссии (имеется в виду миссия КА Венера-Экспресс) в 2006 г. до 110 м/с к середине 2012 г.", (т.е. за 6 земных лет скорость ветра выросла на 25 м/с). Кроме этого, оказалось, что на низких широтах средняя скорость потока изменяется с периодом около 4–5 дней и демонстрирует зависимость от местного солнечного времени. Максимальные скорости потока наблюдаются в утренние и вечерние часы.

Зональные скорости в атмосфере Венеры

Странно, очень, конечно, странно, в другом месте читаем: "В экваториальной области, до 35° ю.ш., зональный ветер колебался с периодом 4-5 суток (в среднем 4,83 суток), что близко к периоду супервращения на экваторе. Амплитуда волны (это на врезке) 4-17 м/с и уменьшается с широтой. Минимум в скорости зонального был найден полуднем интервале (11-14 ч) и максимум в утренние часы (8-9 ч) и вечером (16-17 ч).

Практически, тот же график, но более понятный

Далее, в тексте пресс-релиза читаем: "Одна из главных загадок Венеры – стремительное вращение её атмосферы вдоль параллелей. На верхней границе облаков воздушные потоки более, чем в 50 раз, обгоняют вращение твердого тела планеты". Поясним. Период обращения Венеры равен 243 дням, а средняя скорость зонального ветра равна 4,83 дня. Отсюда как раз вылезает цифра 50

Зональные и меридианные скорости ветров на Венере

Экваториальные радиусы Земли и Венера отличаются не намного, но экваториальные скорости вращения разнятся сильно: 1674 км/ч для Земли и всего 6,5 км/час для Венеры, т.е. разница в 258 раз. Можно предположить, что вышеуказанные колебания скорости ветра (с периодом 4-5 дней, либо вечер, либо утро) возникли в результате биения, которое получается при сложении двух периодических процессов: это вращение планеты и вращение атмосферы Венеры, в результате чего возникают биения с периодом 4,83 дня.

Внешний вид атмосферы Венеры с
нанесенной на нее сеткой координат

Помимо этих быстро текущих изменений в атмосфере Венеры, добавляется еще одно. Оказалось, наша соседка довольно быстро теряет свою газовую оболочку атмосферу. За ней простирается длинный хвост, как у кометы. Не исключено, что Венера, как когда-то Марс, лишится своей атмосферы. Кстати сказать, много миллионов лет назад на Венере была вода, следовательно, ее атмосфера напоминала земную, с водными облаками и дождями. После разверзлись жерла тысяч вулканов, 85 % ее поверхности была залита раскаленной лавой; естественно, вода и кислород улетучились. Теперь, возможно, улетит в космос и ее углекислый газ.

Венера теряет свою атмосферу

Нас очень интересуют подобные обще планетарные процессы и, в частности, атмосферная циркуляция. Напомним, зональные и струйные потоки на Земле образуют регулярную более или менее устойчивую вихревую систему. Венера, как и Земля, тоже обладает аналогичной вихревой структурой, только количество зон (или ячеек) и струй здесь меньше: а именно, четыре: две зоны – южного полушария и две северного.

Зональная структура атмосферы Венеры

Конвекционные процессы на Венере действуют, как и на Земле. Но сила Кориолиса мала, поэтому ячейки Хэдли на Венеры получаются более вытянутыми в направлении полюсов. Промежуточные ячейки Феррел отсутствуют вообще, а полярные ячейки заметно меньше, начинаются не с 60 параллели, а с 75 или даже 80. О них мы говорили много в связи с замысловатой и неустойчивой их формой. Бывает, что на полюсе (неважно каком – южном или северном) вращается один-единственный круговой вихрь. Через некоторое время он может перейти в двойной вихрь и потом разрушится; может возникнуть и тройной вихрь и потом исчезнуть. Вихри высшего порядка, как видели на Сатурне, на Венере не бывают.

Ячейка Феррел, какая есть в атмосфере
Земли, в атмосфере Венеры отсутствует.

Ячеечная структура Юпитера сложна и запутана. Теоретически различают 13 колец: экваториальный — самый широкий, плюс 6 колец южного полушария и 6 колец северного; они уже экваториального, имеют неодинаковую ширину, смежные кольца вращаются разно направленно — либо по часовой стрелке, либо против.

Кольца Юпитера делят на зоны и пояса
различным образом, в частности, так

Это — теоретическая модель, число видимых колец реально меньше, их расположение относительно оси вращения несимметрично, различаются по толщине, цвету и характеру турбулентного движения. Предполагается, что часть колец образуют зоны (или области), наподобие зоны Хэдли, а часть образуют пояса, наподобие струйных ветров. То есть кольцевую атмосферу Юпитера описывают очень по-разному. Согласно этой схеме имеется 5 зон (они выглядят светлее) и 4 пояса (они темнее).

Зоны и пояса Юпитера можно представить так

Такая классификация также выглядит искусственной, поскольку при ближайшем рассмотрении колец, видно, как кольца не похожи друг на друга, динамика атмосферы в них заметно различается. Но физика течения газа по-прежнему определяется, главным образом, конвекцией, т.е. разностью температур, и силами Кориолиса, что и в земной атмосфере. Эти рисунки тоже носят, скорее, теоретический смысл, чем реальный. Так что реальная атмосфера Юпитере тоже далека от идеальной схемы.

Зоны и пояса Юпитера (схематично)

Схема плохо соответствует реальности

Схема зон и поясов Юпитера часто выглядит искусственно.
Фактически кольца могут исчезать и менять цвет.
Какой-то одной устойчивой картины нет.

Ячейки Бенара для Юпитера

Конвекционный принцип ячеек Бенара здесь, конечно, действует. Но если атмосферу Земли нагревает внешний источник тепла – Солнце, то источник тепла для атмосферы Юпитера находится внутри самой планеты.

Все слышали о столкновении в июле 1994 года развалившейся на куски кометы Шумахера-Леви с Юпитером. Комета оставила на поверхности планеты множественные пробоины. В ночное время можно было видеть яркие вспышки, а в дневное время на поверхности планеты видны темные пятна в места падения фрагментов кометы.

Комета Шумахера-Леви врезается в Юпитер в ночное время


Следы от комета Шумахера-Леви видны на
поверхности Юпитера в дневное время

Через 15 лет в июле 2009 года телескоп Хаббл обнаружил светлое и чуть ниже темное пятно. Сначала решили, что их появление связано с внедрением в атмосферу Юпитера какого-то внешнего космического тела, по аналогии с кометой Шумахера-Леви.

Светлое и темное пятно на теле Юпитера
Откуда они взялись?

Позже возникли сомнения. Светлое пятно было, по-видимому, обыкновенным вихрем, коих в атмосфере Юпитера возникает и исчезает множество. Темное пятно исчезло через 2-3 месяца. Но было ли оно следом от падения какой-то кометы — неизвестно. В связи с белыми пятнами, нужно помнить следующее.

Темное пятно исчезло через 2-3 месяца

Зарождение облака в атмосфере Земли, как правило, связано с космическим пришельцем — большим или совсем крохотным метеоритом. Юпитер находится вблизи пояса астероидов и притягивает массу камешков, периодически тревожащих атмосферу газового гиганта.

Юпитер находится вблизи пояса астероидов и притягивает массу камешков

Но главное, конечно, процессы, протекающие в атмосферной толще, которые во многом являются лишь следствием процессов, идущих в сердцевине планеты. Мы не знаем, есть ли у Юпитера четко выраженное ядро. Говорят, что оно есть и образовано металлическим водородом. Мы повторяем эти широко распространенные гипотезы. Данные рисунки уже демонстрировались нами

Еще не известно, есть ли у Юпитера ядро

Но теоретически существование водородных ядер у газовых гигантов обосновывается одним-единственным аргументом: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют магнитные поля. Эти поля, должно быть, вызываются вихревыми токами, думают теоретики. Значит, ядро обязано быть металлическим. Конфигурация магнитного поля более или менее известна, так как, во-первых, оно схоже с магнитным полем других планет, включая Землю, во-вторых, кое-какую информацию непосредственно добыли космические аппараты.

Магнитное поле Юпитера

Магнитное поле, взаимодействуя с солнечным ветром, которые содержит заряженные частицы (электроны, протоны, альфа частицы), вызывает полярные сияния. На Юпитере и Сатурне они прекрасно видны. По характеру этого сияния можно кое-что сказать о конфигурации магнитного поля, однако требуется более полная информация, чтобы можно было судить о внутреннем строении Юпитера.

Полярные сияния на Юпитере

С этой целью 5 августа 2011 года ракета-носитель Атлас-5 вывел на расчетную орбиту космический аппарат под названием "Джуна" или "Юнона". Согласно мифологии Юнона — жена Юпитера. Эти имена древнеримские, им соответствуют древнегреческие Зевс и Гера. Гера — самая могущественная из богинь Олимпа. Ее нрав подстать нраву Юпитера. Она властна и жестока, но вместе с тем, подчиняется Юпитеру, правда, совместная жизнь их протекает не без скандалов. Жена сумела подобрать ключ к суровому и своевольному громовержцу и тучегонителю.

Джуна или Юнона — жена Юпитера,
согласно древней мифологии

В августе 2016 года аппарат должен стать искусственным спутником Юпитера. Основной целью миссии "Джуна" — изучение конфигурации магнитного поля и составления детальной карты вихревого движения атмосферы Юпитера. Поэтому орбита космического аппарата будет проходить через оба полюса планеты, почти параллельно меридианам.

Орбита Джуны будет проходить через оба полюса
планеты, почти параллельно меридианам.

Работа над проектом "Джуно" началась 2005 году. На его реализацию потрачено 1 млрд. долларов. Над проектом трудились десятки тысяч ученых, инженеров-проектировщиков, были приглашены специалисты из нескольких стран мира. Сейчас показываются кадры сборки космического аппарата. Как видим, весь технический персонал здесь вырядился в костюмы кроликов — не хватает разве что длинных ушей на головах. Этот карнавал понадобился в виду принятых в данном случае беспрецедентных мер предосторожности. Технология сборки космического аппарата требует безупречной чистоты. В помещении не должно быть не то чтобы микроскопических пылинок; микробы, различные бактерии тоже должны быть полностью исключены. Отдельные детали, узлы и конструкция в целом должны быть стерильными. Этого требует сборка, но не только. Специалисты НАСА не хотят занести в космос какие-либо биологические организмы.

"Кролики" колдуют над "Джуной"

Обратите внимание на часы в верхнем левом углу. Они отсчитывают не только время технологической сборки. Сотни видеокамер следят за работой инженерно-технического персонала, чтобы потом контролирующие службы могли проверить и много кратно перепроверить правильность выполнения предписанного технологического задания. Данные с видеокамер будут храниться вечно, не только на случай — не дай Бог! — аварии. Но и для накопления бесценного технологического опыта.

Зачем следят за сборкой космического аппарата?

Итак, 5 августа 2011 года аппарат "Джуна" ракетоносителем Атлас-5 благополучно выведен на орбиту вокруг Солнца, которая прошла за пределами орбиты Марса. Примерно через год в середине сентября 2012 года в течении 5 дней была произведена запланированная коррекция траектории. В таких случаях обычно говорят о гравитационном маневре. В это время аппарат находился на расстоянии 483 миллиона километров от Земли.

Как полетит Джуна?

Для пространственной ориентации напомним: диаметр земной орбиты составляет 300 млн. км, марсианской, в полтора раза больше, 450-460 млн. км, а диаметр орбиты Юпитера в 5,2 раза больше земной и составляет 1 млрд. 560 млн. км.

Смотрите каковы параметры орбит

В результате первого гравитационного маневра Джуна 9 октября 2013 года вновь оказалась вблизи Земли на расстоянии 560 км. В этот момент был произведен второй гравитационный маневр, при котором поле тяготения нашей планеты выполняло роль ускорителя движения.

Первый гравитационный маневр

Этим приемом космические лоцманы пользуются уже давно, когда рассчитывают траекторию космического аппарата, направляющегося на периферию Солнечной системы. Так было при полете Вояджер 1 и 2" или "Пионеров-10 и -11". Например, Вояджер-2, запущенный 20 августа 1977 года, достиг Юпитера в июле 79 года, Сатурна — в августе 81, Урана — в январе 86, Нептуна — в августе 89 года. Всякий раз, проходя мимо очередной планеты, аппарат ускорялся гравитационным полем планеты, что давало колоссальный энергетический выигрыш. За счёт гравитационного манёвра у Юпитера, Сатурна и Урана Вояджер-2 смог на 20 лет сократить срок полёта к Нептуну по сравнению с прямой траекторией с Земли.

Траектории полетов Вояджера 1 и 2

Джуна отличается от Вояджеров, Пионеров и других аппаратов дальнего следования одной принципиальной вещью — энергетическим блоком. До сих пор в космических аппаратах, включая марсоходы и прочие устройства, использовались радиоизотопные термоэлектрические генератор (РТГ), которые работают на диоксиде плутония-238 — это чаще всего. Помимо плутония-238 используют также кюрий-244 и стронций-90. Длительность работы РТ-генераторов от 10 до 30 лет, многое зависит, конечно, от массы: порядок цифр такой: 10 кг радиоактивного материала свободно хватает на 10 лет, чтобы обеспечить электроэнергией установку, потребляющую 200 ватт.

РТГ – радиоизотопный термоэлектрический генератор

На Джуне установлено три панели солнечных панелей (их хорошо видно), обеспечивающие мощностью до 500 Вт. Использование солнечной энергии стало возможно вблизи Юпитера благодаря повышению эффективности солнечных панелей на 50% по сравнению с панелями 20-30-летней давности.

На Джуне установлено три панели солнечных панелей

Находясь на орбите Юпитера, Джуна будет получать всего 4 % от того солнечного света, который аппарат мог бы получать на Земле. Общая площадь от трех лепестков составляет 60 кв. м. Если бы панели использовались на орбите Земли, они бы производили около 15 киловатт энергии. На орбите же Юпитера мощность составит менее 500 ватт. Из-за воздействия радиации мощность упадет до 400 ватт. Солнечные панели практически постоянно освещаются Солнцем. Вместе с тем, на борту имеются два литий-ионных аккумулятора, , ёмкостью по 55 ампер-час каждый. Они будут питать Джуну во время прохождения ею теневой зоны.

Траектория движения Джуны вокруг Юпитера

В июле 2016 года, после пятилетнего перелёта, преодолев около трех млрд. км Джуна выйдет на орбиту Юпитера. В течение одного земного года аппарат должен сделать 33 оборота вокруг Юпитера, каждый из которых будет занимать 11 земных суток с максимальным приближением к планете менее 5000 км. Вращение аппарату будет придано таким образом, чтобы каждый из научных приборов выполнил отведенную ему функцию.

После выполнения всех запланированных
задач Джуна сгорит в атмосфере Юпитера

В ноябре 2016 года в течение 20 дней Джуна совершит 2 калибровочных витка вокруг планеты для настройки измерительной аппаратуры. В октябре 2017 года аппарат будет сведен с орбиты и направлен в атмосферу газового гиганта, где сгорит. Таким образом, основная миссия аппарата продлится чуть более года, но анализ полученных данных продлится многие и многие годы.

Джуна нашпигована измерительными приборами и датчиками

Джуна буквально нашпигована десятком измерительных приборов и датчиками. Они позволят снять множество параметров, которыми характеризуются радиационные и электромагнитные поля в широком диапазоне. Так, на борту имеется микроволновый радиометр, фиксирующий излучение с длиной волны от 1,5 сантиметров до полуметра. Его задача — исследование глубоких слоёв атмосферы планеты. Проникающая способность микроволн — 550 км. Радиометр должен помочь ответить на вопрос, насколько глубоко заходит циркуляция атмосферы. Он также определит химический состав атмосферных слоев, залегающих на указанную глубину; замерит точное распределение водорода, гелия, кислорода, серы, воды, аммиака и присутствие прочих элементов.

Джуна произведет фотографирование и глубокую локацию Юпитера

С помощью цветной неподвижная видеокамера с максимальным разрешением 1600 на 1200 пикселей будет произведена съёмка поверхности планеты. Камера спроектирована таким образом, что наиболее детализированные снимки будут получены лишь во время максимального сближения зонда с планетой на высотах 1800-4300 км от облаков. В этом случае она будет иметь разрешение 3-15 км на пиксель. (Для сравнения: телескоп Хаббл в 2009 году с расстояния 600 млн. км смог получить снимок планеты с разрешением 119 км на пиксель.) Все остальные изображения будут иметь значительно более низкое разрешение, около 230 км на пиксель, поэтому возможности камеры не позволят снимать ей спутники Юпитера. Кроме того, из-за телекоммуникационных ограничений, Джуна сможет передавать на Землю лишь 40 Мб данных (от 10 до 1000 фотографий) из каждого 11-суточного обращения вокруг Юпитера. Предполагается, что прежде чем радиация выведет из строя электронику, та за восемь витков аппарата вокруг планеты успеет сделать достаточное количество снимков.

Джуна исследует магнитное поле Юпитера, которое
распространяется далеко за пределы орбиты Сатурна

Джуна будет исследовать конвекционные процессы, которые управляют общей циркуляцией атмосферы. Часть инструментов служит целям составления детальной, трехмерной, разворачивающейся во времени модели магнитосферы, которая распространяется далеко за орбиту Сатурна. На борту имеется спектрометр для исследования полярных сияний Юпитера. Он соберет данные о полярных областях магнитосферы. Имеется отдельный спектрограф, работающий в ультрафиолетовом диапазоне.

Джуна измерит тепловое излучение, исходящее из глубин планеты

С помощью инструментов, работающих в микроволновом и инфракрасном диапазонах, Джуна измерит тепловое излучение, исходящее из глубин планеты. С помощью специальной аппаратуры, использующей Доплер-эффект, можно будет измерить гравитационный потенциал по всей поверхности Юпитера. Путём измерения гравитационного поля прибор построит карту распределения всей массы вещества на Юпитере.

Джуна измерит гравитационный потенциал по всей поверхности Юпитера

Таким образом, глаза и уши Джуны должны позволить нам получить информацию не только об атмосфере Юпитера, его магнитосфере, следовательно, сказать что-то более конкретное о ядре и внутренней структуре, но также — что намного важнее — предоставить кое-какие сведения о зарождении и формировании этого газового гиганта. Кто знает, быть может, такая информация приоткроет тайны возникновения всей Солнечной системы.

Глаза и уши Джуны помогут нам представить, как
зарождалась и формировалась Солнечная система

Прежде, чем мы поговорим о зарождении Солнечной системы, отметим одно немаловажное обстоятельство. НАСА, разрабатывая проект миссии Джуны, позаботилась о популяризации научных знаний — как о технической стороне дела, т.е. о назначении отдельных узлов космического аппарата, методики сборки и доставки его к Юпитеру, так и о всех тех предварительных знаниях о планете, полученных в ходе выполнения предыдущих миссий. Таким образом, любой заинтересованный человек может посетить сайт НАСА, посмотреть фильмы о великой миссии Джуны, скачать понятно написанную и хорошо проиллюстрированную книжку о проекте и людях, которые над ним работали.

Для детей 8-13 лет и явно старше.
Эту книгу можно скачать бесплатно

Теперь к вопросу о зарождении Солнечной системы. Существующие теории исходят из предположения, что Солнце и планеты сформировались из холодной газопылевой туманности порядка 4, 5 млрд. лет назад. На самой первой стадии формирования туманное облако начало вращаться. Первый вопрос — почему? Непонятно так же, как были сформированы отдельные сгустки вещества, которые впоследствии превратились в планеты. Второй вопрос — по каким правилам пролегли границы между этими сгустками? Эта проблема известна под названием гравитационный парадокс. Напомним его суть.

Как зарождалась и формировалась Солнечная система?

Закон всемирного тяготения не даёт ответа на вопрос о конфигурации гравитационного поля, созданного огромным (в пределе, бесконечным) числом тел с массами, имеющими случайный закон распределения. Эта задача, возможно, имела бы какое-то решение, если бы к ней приложить конкретные начальные и граничные условия. Кто их выдвинет в бескрайнем космосе — Господь Бог? Сегодня, однако, эта чисто гравитационная проблема ушла на второй план. Стало известным, что вблизи Солнца локальные уплотнения вещества и формирование протопланет из первичной гомогенной, т.е. более или менее однородной пыли, происходило вовсе не под действием закона всемирного тяготения.

Шведский физик Ханнес Альфвен (1908 – 1995)

Шведский физик Ханнес Альфвен (1908 – 1995), специалист в области физики плазме разработал теорию магнитогидродинамики и в 1970 году получил за нее Нобелевскую премию. Его теория тесно связана с физикой плазмы. Шведский физик детально исследовал, каким образом вспышке на Солнце влияют на магнитные бури на Земле, вызывающие такие красивые полярные сияние. В молодые годы он предсказал существование галактических магнитных полей, а позже они действительно были открыты.

Открытие солнечных пятен приписывают традиционно Галилею

Но сейчас Альфвен интересует нас главным образом потому, что ученый уделил много внимание изучению проблем формирования Солнечной системы. Он доказал, что на протоны, составляющие основную массу солнечного ветра, магнитное поле светила воздействуют в 60 тысяч раз сильнее, чем его гравитационное поле. Давайте совершим короткий исторический экскурс и посмотрим, как пробудился интерес к Солнцу с точки зрения не его гравитационного, а магнитного поля. Оказывается, всё началось с темных пятен.

Немецкий астроном Кристоф Шайнер

Открытие солнечных пятен приписывают традиционно Галилею. Действительно, в 1610 году он направлял свою мощную подзорную трубу на разные небесные объекты довольно мелких размеров – кратеры Луны, фазы Венеры, кольцо Сатурна, спутники Юпитера, , звезды Млечного пути, количество которых оказалось намного больше, чем это видно невооруженным глазом. Солнечные пятна он тоже заметил, хотя о существовании их астрономы знали задолго до него. Первым, кто писал о пятнах, был Теофраст, ученик Аристотеля. Дело в том, что большие пятна можно разглядеть через закопченное стекло невооруженным глазом. Важно то, что Галилею удалось по движению пятен определить период обращения светила вокруг своей оси (около 26 суток).

Так вращается Солнце

О причастности Галилея к наблюдениям за солнечными пятнами, которые он провел в 1610 году, знают все. Реже вспоминают, что в 1613 году независимо от Галилея их наблюдал немецкий астроном Кристоф Шайнер. По чертежам Кеплера, опубликованным в 1611 году в "Диоптрии", Шайнер построил телескоп-рефрактор и гелиоскоп – оптический прибор специально предназначенный для наблюдения за солнечными явлениями. Помимо пятен Шайнер увидел огненные факелы, т.е. протуберанцы, и описал их динамику. Раньше других Шайнер заметил, что пятна, расположенные ближе к полюсам Солнца, вращаются быстрее, чем пятна на экваторе (их период обращения равен 35 суткам, а на экваторе — 25 суткам).

Гофрированная поверхность, показывающая положительную
и отрицательную амплитуды магнитного поля Солнца

Вращение магнитного поля тоже происходит с отставанием. На этих рисунках показаны направления магнитных силовых линий: в двух заштрихованных зонах силовые линии идут от Солнца, а в двух не заштрихованных – к Солнцу. Эти зоны видны здесь как гофрированные поверхности, показывающие положительные и отрицательные амплитуды магнитного поля. Вращение магнитного поля запаздывает вдали от Солнца и непосредственно вблизи его поверхности. Силовые линии наматываются на поверхность шара как нитки на веретено.

Силовые линии наматываются на поверхность
шара как нитки на веретено

Такова общая картина магнитного поля. Но вблизи солнечных пятен возникают локальные магнитные поля. Силовые линии образуют кольца: отдельные витки колец могут входить в одно темное пятно, играющего роль южного полюса, и выходить из другого темного пятна, играющего роль северного полюса. Поля от отдельных пятен могут объединяться или, наоборот, разделяться, на более мелкие в зависимости от размеров и динамики темных пятен.

Силовые линии вблизи солнечных пятен

В общем, представления Декарта о движении вещества на Солнце и звездах были не так уж далеки от истины. Звезды действительно являются сложными вихревыми образованьями.

В двух последних частях было показано, что основной закон тяготения не противоречит трем кеплеровским законам вращения по эллипсу, но сам по себе закон всемирного тяготения не вызывает вращение — ни орбитального, ни, тем более, осевого. В электромагнитных явлениях, рассмотренные в первой части дивергенция электрического поля обуславливает ротор магнитного, и наоборот. Ханнес Альфвен, опираясь на уравнения Максвелла, указал всем нам важную роль этих законов во взаимодействии магнитных полей Солнца и планет с плазменно-пылевой средой.

Взаимодействие магнитного поля Солнца и планет с плазменно-пылевой средой

Подкованные в физике и математике люди знают также о законах сохранения момента количества движения или момента импульса, т.е. векторного произведения импульса на радиус вращения. Можно рассуждать в понятиях углового орбитального или кинетического момента. Как в поступательном, так и во вращательном движении важную роль играет понятие инерции тела. Вращающееся тело или некоторая совокупность тел обладает инерционным моментом, который выражается формулой:

Момент импульса и момент вращения

В свете этих элементарных формул в гипотезе зарождения Солнечной системы из газопылевой туманности, которая сразу, ни с того, ни с сего, начала вращаться, имеется принципиальная несогласованность. Она заключена не только в вопросе — откуда взялся вращательный импульс, но и в другом.

Зарождение Солнечной системы

Дело в том, что угловой момент для всех материальных частичек газопылевого облака распределен равномерно. Процесс формирования Солнечной системы идет непрерывно, без какого-либо внешнего воздействия. Но в конце формирования системы почему-то возникает ужасное несоответствие в моменте импульса Солнца и планетной системы, которая вращается вокруг светила.

Конец формирования Солнечной системы

Приведем слова из популярной статьи Александра Сергеева "Рожденные из пыли" (речь идет о планетах): "Делая в среднем один оборот в течение 27 суток, Солнце несет всего 2% от полного углового момента (момента импульса, то есть, грубо говоря, количества вращательного движения) всего вещества Солнечной системы. Остальные же 98% приходятся на планеты, которые в 750 раз уступают Солнцу по массе.

А. Сергеев: Рожденные из пыли

Представьте себе самосвал с песком, который затормозил перед светофором,— пишет Сергеев. Из-за резкой остановки тяжелой машины песка немного просыпалось и по инерции песчинки уносится вперед... со скоростью пули. Невероятно! Но столь же парадоксально выглядит и концентрация большей части вращения Солнечной системы в нескольких ничтожных по массе планетах".

Удачный пример самосвала с песком

Прекрасное сравнение, которое еще раз убеждает нас, что каждая планета Солнечной системы свой вращательный момент или момент импульса получила в индивидуальном порядке. Изначально вращение планеты не была связано с вращением центрального тела. Орбитальная и осевая раскрутка протопланеты, вероятнее всего, происходила с помощью магнитного поля, действующего на плазменно-пылевую среду (о ней рассказывалось во второй части нашего цикла видео-лекций под названием "Эфир").

Песчинки как летящие пули


Орбитальная и осевая раскрутка планет
происходила с помощью магнитного поля

Наконец, выдвинем третий, быть может, самый убойный аргумент против теории образования планетной системы из холодного газопылевого облако.

космический телескоп "Кеплер"

6 марта 2009 года с мыса Канаверел ракетоносителем Дельта-2 на околоземную орбиту был выведен космический телескоп Кеплер. Он оснащен чувствительными фотодатчиками, предназначенными для поиска экзопланет, т.е. планет, находящихся вне Солнечной системы. Кеплер одновременно наблюдал порядка 100 тысячами звезд.

На этой диаграмме показано количество
экзопланет, открытых с 1988 по 2014 год

На этой диаграмме показано количество экзопланет, открытых с 1988 по 2014 год. Как видим, за последний год, число открытых планет равно 850, что больше, чем за все предыдущие года вместе взятые. И это благодаря Миссии Кеплера. Общее же число открытых экзопланет на сегодняшний день — 1816.

Телескоп "Хаббл"

Первые экзопланеты удалось открыть путем непосредственного наблюдения с помощью мощных телескопов типа "Хаббл". Более эффективным оказался метод Доплера. Планета и звезда вращаются возле общего центра тяжести. Таким образом, присутствие экзопланеты заставляет звезду слегка колебаться. Если она удаляется от наблюдателя, линии ее спектра сдвигаются вправо, т.е. в красную область; если звезда приближается к нам, спектральные линии сдвигаются влево, т.е. в фиолетовую область. Это позволяет судить о периоде и массе экзопланеты.

Более эффективным оказался метод Доплера

На телескопе Кеплер реализован самый эффективный метод поиска экзопланет; он называется транзитным. Когда экзопланета движется поперек звездного диска, его яркость слегка уменьшается. Таким образом, фоточувствительными приборами удается зафиксировать начало и конец движения экзопланеты, по которым можно судить о параметрах орбиты. По величине ослабления яркости удается найти величину и массу экзопланеты. Звезда может иметь несколько экзопланет. Данный метод, в отличие от предыдущего, метода Доплера, позволяет справиться и с этой сложной задачей.

Планеты на фоне солнечного диска

Изучение экзопланет только началось, тем не менее, информация об экзопланетных системах огромна. Давайте присмотримся вот к этой таблице. На вертикальной оси перечислены экзопланетные системы, но верхняя строчка отведена планетам Солнечной системы. По горизонтали откладываются орбитальные периоды (из соображения экономии места взят логарифмический масштаб).

Так работает транзитный метод, используемый "Кеплером"

Смотрим на верхнюю строчку. Слева от вертикали в 100 дней видна крохотная точка. Это Меркурий с орбитальным периодом в 88 дней. За ним правее, расположены три точки покрупней. Это — Венера, Земля, Марс. Еще правее находится вытянутый по горизонтали овал. Это — пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Их средний орбитальный период чуть больше 1000 дней. Далее идут Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, а за последним идет второй пояс из небольших тел, который начинается Плутоном (его к полноценным планетам уже не относят).

Экзопланетные системы

Тема экзопланетных систем сделалась сегодня очень модной. Всё, кажется, закончилась эпоха пустых фантазий об устройстве нашей Вселенной. Все — и молодежь, и серьезные исследователи — заняты анализом богатейшего материала астрономических наблюдений, поставляемого нам точнейшими приборами. Интернет переполнен сведениями об орбитах, размерах экзопланет, их массе, химическом составе самого планетного тела и его атмосферы, делаются всевозможные обобщения.

Любопытное образование: экзопланеты
47b и 47c вращаются вокруг двойной звезды
Star A и Star B

Например, отмечается, что наиболее распространенный размер экзопланеты лежит в пределах от 1 до 4 диаметров Земли (размер Нептуна), максимум приходится на 2,7 земного диаметра. Но планеты именно такого или хотя бы близкого к нему габарита в Солнечной системе как раз и нет.

Любопытное образование: экзопланеты
47b и 47c вращаются вокруг двойной звезды
Star A и Star B

Оказалось также, что большинство экзопланет имеют сравнительно небольшой период обращения вокруг своей родной звезды — от одного до ста дней. Земной год, как известно, длится 365 дней. Средняя температура поверхности экзопланет тоже оказалась необычно высокой; лежит где-то в пределах от 300 до 1000 градусов по Цельсию. Здесь явно сказывается близкое соседство экзопланет к своему светилу. Причем эти горячие экзопланеты имеют размеры нескольких юпитеров. Встречаются экзопланеты, вращающиеся не вокруг какой-то одной звезды, а вокруг двух или даже трех звезд.

Большинство экзопланет имеют сравнительно небольшой период
обращения вокруг своей родной звезды — от одного до ста дней.


Средняя температура поверхности экзопланет оказалась необычно высокой

Итак, масса ученых сегодня занята серьезным статистическим анализом гигантского массива числовых данных. Они не рассуждают пространно о генезисе экзопланетных систем, поскольку повсюду видны как будто бы уже завершенные системы. Редко, когда заходит разговор о миграции экзопланет в поисках своей устойчивой орбиты. В связи с этим фактом, имеющим, разумеется, статистический характер, можно сделать следующие предварительные выводы.

Экзопланетная система Kepler-27


Экзопланетная система Kepler-22

Астрономы заняты поиском планет, находящихся в зеленой зоне
(на ч/б видео она выглядит серой). Это зона обитания,
где вода имеет жидкую фазу

Во-первых, пора, наконец, пересмотреть гипотезу образования планетной системы из одной холодной туманности. Во-вторых, нет принципиальной разницы между водородно-гелиевой звездой и водородно-гелиевой планетой типа Юпитера. Ясно, что более крупное тело имеет большую температуру, поэтому центр вращения смещен в его сторону. Но, называть звезду "главным" телом планетной системы, не стоит. Каждое большое тело возникло и существует самостоятельно. Обратимся снова к нашей Солнечной системе. Солнце, как и Юпитер, имеет систему конвекционных колец.

Cистема конвекционных колец Солнца

Так их изобразили в фильме "Всё о космосе", а так выглядят конвекционные кольца Юпитера; мы видели их в фильме, рассказывающем о миссии Джуны. В атмосфере Юпитера одновременно вращается множество больших и малых вихрей. Есть они и на Солнце. В том же фильме "Всё о космосе" их изобразили так. В школе нам рассказывают, что в недрах Солнца взрывается миллиарды атомных бомб.

Вихрь есть вихрь, где бы он не находился

Такого рода информация сбивает нас с толку: взрыв порождает ложные представления о действительном положении дел. Между тем, механика вихрей на Солнце и механика ухода воды в канализационное отверстия, практически, одна и та же. В начале нашей лекции рассказывалось о принципе действия ячеек Бенара. Их можно получить у вас на кухни, если взять сковороду, налить в нее парафин и подогреть его на огне. Аналогичными конвективными ячейками покрыта поверхность Солнца.

Ячейки Бенара на поверхности Солнца

Зачем приводятся эти параллели? Затем, чтобы молодые люди, которые собираются посвятить себя науке, задумалась о тех нелепостях, которые они иногда слышат от авторитетных ученых. Так, например, все, наверное, слышали о присутствии в нашей Вселенной огромного количества темной материи. Откуда она взялась? Из факта распределения скоростей вдоль радиуса спиральных галактик. Но разве механика раскрутки спиральных галактик не та же самая, что и механика раскрутки атмосферных циклонов и антициклонов?

Темная материя — не существующий объект природы

И вот, вместо анализа хорошо знакомого нам вихревого движения, вводится скрытый объект в виде частицы темной материи, которая в 1000 раз тяжелей протона. Стали искать эти частицы на дне озера Байкал, поскольку решили, что эти частицы плохо взаимодействуют с обычным веществом, поэтому их трудно обнаружить в обычных экспериментах.

Частицы темной материи безуспешно ищут на дне озера Байкал

Между тем, гипотеза существования темной материи опровергается классической небесной механикой. Она не предполагает, чтобы в области, например, Солнечной системы появилась дополнительная масса, причем в огромном количестве, намного превышающем объем обыкновенной, нетемной материи. Итак, мы видим, как в стремлении сохранить законы Кеплера для движения рукавов спиральных галактик, некоторые физики-теоретики пытаются отменить эти законы для Солнечной системы.

Традиционная небесная механика не предполагает, чтобы в
Солнечной системе находилась какая-то темная материя

Не так давно у Солнца были обнаружены акустические моды. Скорость смены мод оказалась очень высокой, порядка нескольких минут. Следовательно, они носят электромагнитную природу, поскольку скорость смены мод сопоставима со световой скоростью.

Акустические моды Солнца

Однако природа этих электромагнитных волн должна носить классический характер, хорошо знакомый нам по фигурам Хлади, наблюдаемым на колеблющейся мембране. Каждая фигура здесь представляет собой специфическую моду двумерной стоячей волны. Поясним, песок на мембране не колеблется вдоль узловых линий. Узлы можно прекрасно наблюдать для одномерного случая, когда колеблется металлическая струна или резиновый жгут.

Фигуры Хлади

Если частота взаимно ортогональных колебаний кратна целым числам, как, например, для фигур Лиссажу, бегущие волны останавливаются и превращаются в полном смысле этого слова — стоячими.

Фигуры Лиссажу

Кратные соотношения образуют синхронизмы или резонансы в колеблющихся или периодически вращающихся системах всех уровней — от атомных до астрономических. Солнечная система представляет собой замкнутую, симметричную и достаточно устойчивую систему небесных тел. Она состоит из трех зон, образованных малыми телами Солнечной системы: пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера, пояса Койпера, расположенного за орбитой Нептуна, и облака Оорта сферической формы, находящегося на расстоянии от 50 до 100 тысяч астрономических единиц.

Солнечная система не заканчивается орбитой Плутона,
как думали совсем недавно

Объекты из пояса Койпера и облака Оорта изучены недостаточно хорошо, а вот объекты пояса астероидов начали изучаться давно и успешно. В них обнаружено множество резонансов, соответствующих целочисленным отношениям. Американский астроном и математик 19 века Дениель Кирквуд обратил внимание, что существуют дискретные провалы (их называют "щелями Кирквуда") в распределении средних расстояний астероидов от Солнца.

Щели Кирквуда

Эти расстояния соответствуют периодам обращения вокруг Солнца, кратным периоду обращения Юпитера. В частности, дискретный принцип запрета распространялся на отношения 1 : 2, 1 : 3, 2 : 5 и 3 : 7, где первое число — период обращения астероида вокруг Солнца, второе — период обращения Юпитера вокруг Солнца. Сегодня обнаружены аналогичные щели в кольцах Сатурна. В них тоже имеются провалы, коррелирующие с периодами обращения спутников Сатурна.

Синхронизмы трех спутников Юпитера

Еще Лаплас обратил внимание на четкую закономерность в периодах обращения трех из четырех главных спутников Юпитера. Позже были обнаружены аналогичные целочисленные отношения между спутниками Сатурна. Помимо сихронизмов, действующих на уровне системы спутников планет, существуют определенные резонансы в периодах обращения самих планет.

Синхронизмы спутников Юпитера и Сатурна

Синхронизмы планет Солнечной системы

Эзотерики, любители графического искусства рисования симметричных узоров, теперь любуются на симпатичные арабески, в основе которых лежат синхронизмы между планетами Солнечной системы. В Интернете этих рисунков полно, но первым, кто их изобразил, был, по-видимому Джон Мартинео, опубликовавший «Небольшую книгу совпадений», где и привел эти рисунки.

Синхронизмы Земля-Меркурий и Марс-Земля

Синхронизмы Юпитер-Земля и Уран-Сатурн

Синхронизмы Сатурн-Юпитер и Марс-Венера

Слева – арабеска Земля-Венера из книги Джона Мартинео;
справа – та же арабеска, построенная с помощью компьютера

Для нас, убежденных рационалистов, существование синхронизмов и резонансов указывает на устойчивые и неустойчивые зоны пребывания небесных тел. Не всё зависит от массы и расстояния между телами, т.е. от прямого действия закона всемирного тяготения. Есть более тонкий механизм регулирования движения планет, который однозначно связан с законом сохранения момента количества движения или момента импульса, о чём говорилось выше.

Приливный эффект со стороны Луны

Из-за приливного эффекта, прежде всего, со стороны Луны, скорость осевого вращения Земли постепенно уменьшается. За столетие продолжительность земных суток увеличивается приблизительно на 2 миллисекунды.

Изменение продолжительности
суток на Земле в разные времена

Приливный эффект срабатывает из-за наличия океанических вод и атмосферного воздуха. Мы довольно подробно рассказали о динамики атмосферы, меньше касались динамики океанических течений и совсем не говорили о жидком железоникелевом ядре Земли. Сейчас попытаемся восполнить этот пробел.

Изменение продолжительности
суток с 1974 по 2005 годы

Образованные люди, наверняка слышали о движении континентов, которые в течение многих сотен миллионов лет перемещались по поверхности Земли. Двигались, собственно, не сами континенты, а литосферные плиты, на которых удерживались континенты. Согласно сегодняшним представлениям, 4-5 млрд. лет назад существовала одна-единственная плита и все континенты образовывали цельно-связанную сушу, супер-континент — Пангею.

Тектоническая динамика земной поверхности.

Затем, мантия земли треснула: Пангея распалась сначала на два больших куска — Лавразию (Laurasia) и Гондвану (Gondwana). Первичный океан — Панталасса (Panthalassa), супер-море, его называют еще Палеотетис (Paleotethys, здесь в основе лежит слово Тэтис Tethys — богиня морей) — заполнил расщелину. Естественно, существуют различные мнения относительно скорости и направления перемещения литосферных плит и прото-континентов на них. Общепринятая картина еще не выработана из-за отсутствия геологических, сейсмических и прочих данных. Но в целом, тектоническая динамика земной поверхности сегодня понятна.

В частности, известно, что акватория Индийского океана расширяется намного быстрее, чем Атлантического. Австралия удаляется от Южной Америки со скоростью примерно 20 см в год, а Европа от Северной Америки — со скоростью 2 см в год.

На этой карте длина стрелки пропорциональна скорости. Максимальная скорость движения литосферной платформы равна около 10 см в год. Вдоль океанических разломов (желтые линии) направления движения земной коры противоположные. Так что скорости 20 см в год или 2 см в год складываются из двух компонентов, векторы которых направлены на запад и восток, соответственно.

Толщина литосферной плиты заметно варьирует — от 5 до 200 км, поскольку за счет циркуляции, части внешней оболочки Земли захватываются конвекционными силами и увлекаются к центру Земли. По этой же причине варьирует и толщина земной коры, которая местами не достигает 5 км, а местами уходит на глубину 100 км. В мантии земли, которая может уже залегать на глубине 100 км и достигать поверхности железно-никелевого ядра, происходит непрерывная конвекция затвердевших масс.

С точки зрения физики, здесь имеет место циркуляция по геометрической схеме, напоминающей конвекцию воздушных масс в толще атмосферы. Только в недрах земли циркуляция вызвана теплообменом между горячим ядром земли, имеющим подвижную жидкую поверхность, и холодной воздушной массой, которая тоже, как мы знаем, непрерывно циркулирует.

Направление движения литосферных плит на поверхности земли противоположно направлению движения поверхности ядра земли, точнее, его внешней оболочки, занимающей слой от 3 до 5 тысяч км. Есть еще неподвижное внутреннее ядро, радиус которого отсчитывается от центра земли, залегающего на глубине 6400 км, до 5000 км, если откладывать по радиусу.

На границах конвекционных ячеек происходит, с одной стороны, поднятие больших масс земли, с другой — опускание примерно таких же по объему масс (погружение литосферы в глубь мантии называется субдукцияей). Внешне такой конвекционный процесс сопровождается вулканической активностью, землетрясениями, горообразованием и прочими глобальными изменениями внешней оболочки нашей планеты. Именно по этим явлениям судят о границах литисферных плит или, иначе сказать, тектонических платформ.

В океанах, за счет субдукции, происходит захват большого количества океанической воды. В итоге, внутри земли оказывается количество воды в 2-3 раза больше, чем на ее поверхности, включая воду всех морей и океанов, рек, озер и ледников. Вода вместе с общими для планеты конвекционными процессами совершает циркуляцию. Она либо близко подходит к поверхности земли в виде так называемых грунтовых или подземных вод, либо выходит наружу в виде родников, гейзеров и истоков рек.

Глядя на эту анимацию, кажется, что когда-то воды на поверхности не было. Затем, она откуда-то появилась — причем не одномоментно, а постепенно — и в течение многих и многих миллионов лет заполняла низины и долины, образуя реки, озера, моря и океаны.

Мы мало говорили о динамике океанических течений

За рассказами о движении литосферных плит скрывается одна важная мысль, а именно: источник колоссальной энергии вихревого движения мантии Земли лежит внутри самой планеты. Теория, будто Земля вначале своего появления запасла тепло и теперь расходует его, не состоятельна. Уже ученые 19 века прекрасно осознавали это. Разогрей Землю до температуры 5-10 тысяч градусов, всё равно она должна была остыть за 100 млн. лет. Работу по перемещению тектонических платформ она не смогла бы сделать. Значит, неиссякаемый источник тепловой энергии находится внутри планеты — чтобы нам не говорили.

Внутренняя структура Земли.
Неиссякаемый источник тепловой энергии
находится внутри планеты

Возьмите спутник Юпитера Ио. На нем находятся огромное число действующих вулканов. Они просыпаются и засыпают, заливая поверхность Ио бескрайними озерами горячей лавы. Откуда столь крохотный спутник, на таком удалении от Солнца черпает тепловую энергию? Нам объясняют, что Ио, зажатый между Юпитером и его тяжелыми спутниками периодически сжимается и разжимается. Таким образом, его тело разогревается и начинает источать горячие слезы по своей незавидной судьбе.

Откуда крохотный Ио черпает тепловую
энергию для сотен своих вулканов?

Плохое объяснение. Оно не годится для нашей планеты и всех прочих планет, включая Юпитер. Все планеты-гиганты и некоторые их спутники несут внутри себя раскаленные печки, тепло которых регистрируются тепловыми приборами.

Создается впечатление, будто Землю надувают.

Сравните это расположение земель Европы...

... с этим. Смотрите, как ее расперло

Нам говорят, как бы не менялись границы континентов, очертания береговой линии морей и океанов, радиус Земли и ее масса не меняются. Нил Адамс не согласен с такой точкой зрения, хотя она подтверждается многолетними прецизионными измерениями, которые производятся с наземных и космических станций. Создается впечатление, говорит Адамс, будто Землю надувают, как детский шарик, на котором нарисован глобус Земли.

Надулась не только Земля, но и Марс.
Разрыв марсианской оболочки на месте долины Маринер

Раздувается не только Земля, уверяет Адамс, но и Марс. Видели широкую впадину в долине Маринер. Это разрыв марсианской оболочки. Она лопнула из-за увеличения объема планеты. На одном из спутников Юпитера, Европе, Адамс тоже нашел следы увеличения объема. На карте ледовых плит он отыскал несколько мест, где отчетливо виден разрыв верхнего слоя льда и перенос его на почтительное расстояние по поверхности Европы.

Так было

Так стало

Можно, конечно, поспорить с Адамсом по поводу его гипотезы о расширении радиуса тел и одновременно, видимо, увеличении их массы (аргумент о массе отпадает, см. книгу А. Никонова Верхом на бомбе. Судьба планеты Земля и ее обитателей, прочитал в Сети и разместил у себя на сайте 27.06.2015). Подобные метаморфозы даже сравнительно небольших планет и спутников, непременно, нарушат хрупкое равновесие в Солнечной системы. Но поставленный Адамсом вопрос всё равно остается без ответа. Как народились на свет Солнце, планеты и прочие материальные тела. Ясно, что рождение и рост любого тела Солнечной системы — это факт персональной биографии этого тела. Говорить, что тело появилось из пыли и газа равносильно утверждению, будто человек был слеплен из навоза.

Адам и Ева появились не из навозной кучи

Взгляните на этот пейзаж. Или на этот. Вот еще картинка и еще. Что это за шары — вы не знаете? Это конкреции. Некоторые из них насчитывают сотни тысяч и миллионы лет. Всё зависят, где они сформировались и из чего.

Пейзаж с разбросанными конкрециями

Еще пейзаж с конкрециями ... Их много разбросано по земле

Смотрите все они почти одинакового размера. Почему? Да потому, наверное, что находились примерно в одинаковых условиях. Тогда почему планеты Солнечной системы не похожи друг на друга, если все они возникли из одного газопылевого облака?

Почему планеты Солнечной системы не похожи друг на друга,
если все они возникли из одного газопылевого облака?

Нет, друзья, Солнечная система и любая другая система из каких-нибудь экзотических экзопланет не возникли из однородной туманности. Такое разнообразие могло народиться на свет в силу очень непохожих эфирных состояний. Внешняя среда, разумеется, имеет большое значение. Но главную роль здесь всё же играет зародыш. По мере роста, организм может отбирать из окружающей среды полезное для себя пропитание. Но общая физиология космического индивидуума продиктована эфирной матрицей.

Взгляните на эти минералы. Мы видим, чем был изначально родительский эмбрион, и чем он оброс после нескольких тысяч или миллионов лет своего непрерывного роста.

Внешняя среда, разумеется, имеет большое значение.
Но главную роль здесь всё же играет зародыш.

В качестве зародыша планеты может стать группа возбужденных атомов водорода, гелия, серы, железа, никеля, метана, воды — любого другого химического элемента, которого потребовала планетная система, как автономный самонастраивающийся организм. Неразумно спорить, как назвать космическое тело — полноценной звездой, полузвездой, полупланетой, просто планетой. Разрабатывая возможные имена и классификации астрономы часто для самих себя создают проблемы. Многие считают, что в изобретении таксономии заключена уже теория. Можно долго еще говорить на эпистемологические темы, но последнее слово остается всё же за результатами космических миссий Джуны, Кеплера и других научно-инженерных проектов.

См. фильм с этим текстом

http://youtu.be/sw-ZwC8d00Y