Астрономия, Астрофизика
Валерия Сирота
Если вы читали статьи про Венеру и Марс, то, возможно, — как и автор — удивлялись: как же получилось, что на трёх (включая Землю) соседних и с астрономической точки зрения вроде бы похожих планетах такие разные условия? У нас тут — приятный климат, чистый воздух, зелёные леса с насекомыми и зверушками, а у них... Ну ладно ещё Марс, он подальше и маленький, но Венера-то с Землёй — почти близняшки! Когда и отчего они стали так сильно отличаться друг от друга?
Оказывается, и правда, когда-то давным-давно они были очень похожи. На молодой и горячей Земле тогда тоже было много активных вулканов, воздух был плотным, ядовитым и горячим. И углекислого газа в нём было полно, и разных соединений серы. И парниковый эффект был тоже...
Поразительно, но нас спасли бактерии! Первые бактерии, которые научились «есть» углекислый газ и перерабатывать его в органические вещества, заодно выделяя кислород — то есть осуществлять фотосинтез. Это благодаря им изменился состав атмосферы: в ней стало меньше углекислого газа — главной составляющей воздуха, ответственной за парниковый эффект. (Азот и кислород, которых в нашей атмосфере больше всего, парникового эффекта не создают.) Уменьшился, а потом почти прекратился парниковый эффект — снизилась температура. А при такой «нормальной» температуре уже и тяжёлые серные соединения сами «осели» на землю и превратились во всякие безвредные соли.
Получается так: не жизнь возникла на Земле потому, что здесь самый лучший климат, а наоборот — климат на Земле стал самым лучшим потому, что возникла жизнь! Но почему жизнь завелась именно и только здесь?
Биологи говорят: бактериям нужна вода. И вот важное отличие Венеры от Земли — там практически нет воды. Океаны-то испарились от жары, но куда же делся водяной пар из атмосферы? Оказывается, его «сдуло» солнечным ветром.
Солнце излучает не только свет. От него постоянно и во все стороны очень быстро летят заряженные частицы — протоны, электроны, ионы разных атомов (то, из чего, собственно, и состоит Солнце: из-за большой температуры там не газ, а плазма — часть электронов отрывается от своих атомов и летает отдельно). Попадая в атмосферу планеты, эти частицы выбивают из неё атомы, примерно как бита выбивает фигуры в игре в городки. А молекулы воды лёгкие, в плотной венерианской атмосфере они поднимаются наверх, и их вышибает быстрее всего. Остатки воды и сейчас продолжают покидать атмосферу Венеры.
То же самое происходит и на Марсе. Хоть на поверхности планеты и есть лёд, в атмосфере водяного пара очень мало: как и на Венере, лёгкие молекулы воды среди тяжёлых молекул (в основном, опять-таки CO2) поднимаются вверх, и там их уносит солнечный ветер. Да и вся марсианская атмосфера под натиском солнечного ветра постоянно тает. Сейчас она уже такая тощая, что атмосферное давление совсем маленькое — если бы и появилась на поверхности Марса вода, она бы тут же закипела и испарилась.
А ведь раньше на Марсе текли настоящие реки! На фотографиях со спутников чётко видны высохшие речные русла. Раньше атмосфера была плотнее и толще, давление у поверхности больше, и было полно воды! Хотя, честно говоря, живому существу, похожему на земное (хотя бы бактерии), трудно было бы выжить на Марсе даже в тот благополучный период. И опять из-за солнечного ветра: ведь космические лучи выбивают атомы не только из атмосферы, но и из всего, что им попадётся на пути.
Русло высохшей марсианской реки. Пока текла река, вдоль русла накопились отложения, более плотные, чем окружающий грунт; когда вода высохла, окружающие породы постепенно разрушились ветром, а плотные отложения вдоль русла остались. Фото: en.wikipedia.org
Ну, хорошо, но если у всех вокруг такая беда, почему же на Земле вода никуда не делась? Потому что у Земли есть специальный щит, который защищает атмосферу от солнечного ветра. Этот щит — сильное магнитное поле.
Оказывается, некоторые планеты (не все!) — ещё и гигантские магниты; как и любой магнит, они создают вокруг себя магнитное поле. Правда, на их движении это никак не сказывается: сила их магнитного взаимодействия друг с другом несравнимо меньше силы гравитационного притяжения, с которой любые массивные тела притягивают друг друга1. Зато...
1 И любая железяка (или даже магнитик) падает на Землю просто оттого, что Земля тяжёлая — то есть под действием гравитационного притяжения; сила, с которой Земля-магнит притягивает эту железяку, куда меньше.
У любого магнитного поля есть такое свойство: оно «сбивает с пути», отклоняет от прямой линии движущиеся заряженные частицы. И чем быстрее частица движется, тем сильнее магнитное поле её «заворачивает». Поэтому заряженные частицы солнечного ветра не могут проникнуть в область вокруг планеты, «занятую» магнитным полем. У Земли эта область (магнитосфера) простирается в сторону Солнца на 10–12 земных радиусов (70 тыс. км), а в сторону от Солнца — ещё раз в 10 дальше.
Магнитное поле Земли и обтекающий его солнечный ветер. Рисунок с сайта sciencedaily.com
Солнечный ветер «обтекает» земную магнитосферу, как вода обтекает препятствие. Так магнитное поле защищает всё живое на Земле, её атмосферу и даже космонавтов на искусственных спутниках. Только небольшая доля частиц проникает в верхние слои атмосферы (на высоту примерно 100 км) в тех местах, где наш магнитный щит «прикрепляется» к планете — в окрестности магнитных полюсов: там силовые линии магнитного поля направлены не вдоль поверхности Земли, а почти вертикально. Сильно повредить атмосферу эти частицы не могут, но они ионизуют атомы азота и кислорода на своём пути — отрывают от них электроны или сильно «раскачивают» их. Эти возбуждённые атомы, снова «успокаиваясь», излучают свет, и мы видим полярные сияния.
Магнитные полюсы Земли близки к географическим, хотя и не совпадают с ними. (Этой близостью все мы пользуемся, когда берём в руки компас: ведь он показывает нам не на географический, а именно на магнитный полюс.) Поэтому полярные сияния обычно видны только на Севере, за полярным кругом (или, наоборот, совсем уж на юге — в Антарктиде). Только во время особенно сильных магнитных бурь, когда Солнце выбрасывает особенно много частиц, некоторые из них могут случайно залететь и в более близкие к экватору районы.
Полярные сияния. Верхние фото: Lars Tiede, flickr.com; нижнее фото: Joshua Strang
Огромные магнитные поля есть у всех планет-гигантов. И, как и на Земле, на них бывают полярные сияния. Правда, на освещённой Солнцем планете (мы ведь смотрим со стороны Солнца!) их не видно в обычный телескоп, зато хорошо видно в ультрафиолетовом свете.
У Меркурия, Венеры и Марса магнитные поля тоже есть, но совсем крошечные, слабенькие. И для защиты от солнечного ветра их не хватает. Вот и тает атмосфера, вот и исчезает из неё вода2.
2 А на Меркурии солнечный ветер до того сильный и атмосфера до того тощая, что частицы солнечного ветра пролетают её насквозь и вышибают атомы и ионы из грунта. Получается, что солнечный ветер не уменьшает, а увеличивает атмосферу Меркурия за счёт тяжёлых атомов с поверхности — из них она, собственно, в основном и состоит.
Полярное сияние на Юпитере. Фото космического телескопа «Хаббл» (в ультрафиолетовом диапазоне)
Выходит, жизнью на Земле мы обязаны в первую очередь сильному магнитному полю, защитившему нашу атмосферу и нас самих.
Почему же из всех планет земной группы оно оказалось сильным только у Земли?
Это до конца непонятно. Но известно, что магнитное поле создаётся токами, текущими в жидком металлическом ядре планеты.
Земля большая и тяжёлая, она остывает — и ядро у неё застывает — гораздо медленнее, чем Меркурий или Марс. Но по массе Земля больше Венеры всего на четверть, а магнитное поле у неё сильнее в 20 раз!
Видимо, помогает быстрое вращение вокруг оси — у Венеры, как мы помним, ничего такого нет.
И наконец, очень возможно, что нам помогла Луна — может, это она приливными силами мешает ядру застыть.
Выходит, не зря и не случайно мы — единственные в Солнечной системе обладатели очень крупного спутника, сравнимого по массе с планетой. Возможно, не будь её — и некому было бы всё это изучать...
Художник Мария Усеинова
elementy.ru
