Константин Елькин
Конец Солнца
и
Самость Космоса
Часть первая
Конец Солнца
и
его системы
По материалам Свободной энциклопедии – Википедия.
“…даже небольшое изменение в температуре нашего Солнца должно было бы повлечь самые сказочные, невероятные изменения во всем органическом мире”.
Александр Леонидович Чижевский
***
Конец – понятие, обозначающее завершённость.
***
“Конец – это то, с чего всё начинается”.
Томас Элиот
Рисунок 1. Солнце
1. Предисловие
Предметом нашего рассмотрения является будущее человека. Будущее человека предопределено будущим Вселенной, но прежде всего, оно предопределено будущим Солнца и его системы, непосредственной частью которой он является. Солнце подарило нам жизнь. С его смертью любая жизнь на Земле исчезнет.
С поверхности Земли мы видим, как каждое утро Солнце встаёт на востоке и заходит на западе, и ему требуется целый день, чтобы пересечь небо, пройдя у нас над головами. В разное время года Солнце движется над землёй относительно выше или ниже, и тогда происходит смена времён года. Весной, когда Солнце с каждым днём поднимается всё выше, земля оживает и производит на свет неисчислимое множество жизненных форм, зимой же, когда Солнце находится ниже к линии горизонта и интенсивность солнечных лучей падает до минимума, земля покрывается снегом и жизнь на ней замирает. С приходом весны жизнь опять оживает. Человеку кажется, что так было и так будет всегда. Являясь частью земной природы мы, люди, являемся частью происходящих в ней процессов, на своём уровне мы сами являемся этими процессами. Мы синхронизированы с жизнью Солнца и Земли, в том числе, сменой времён года и времени суток, химическим обменом наших организмов с водой, почвой и воздухом, терморегуляцией наших тел. Мы привыкли к регулярной смене зимы и лета, мы привыкли к тому, что длительность суток длится 24 часа, и нам трудно поверить, что наступит время, когда длительность суток увеличится в несколько раз, а на Земле прекратится смена времён года и наступит последнее лето. На самом деле уже близится день, когда Солнце вступит в финальную стадию своей эволюции, но прежде, чем погаснуть, оно в последнем выдохе убьёт все существующие на Земле формы жизни и превратит Землю в каменную планету – без атмосферы, без океанов, без людей
2. Разрыв между настроением настоящего и знанием будущего
С давних пор среди людей укоренилось представление, будто Земля находится в центре физического мира и Солнце движется вокруг Земли, а человек создан Богом или природой для вечной жизни. С развитием науки пришло понимание, что Земля не является центром физического мира, а только одной из десяти миллиардов триллионов планет нашей Вселенной[1], однако понимание этого научного факта не поколебало представление людей о Земле и о человеке, как о метафизическом центре[2] Вселенной. Даже сейчас многие исследователи склоняются к тому, чтобы считать целью Вселенной появление в ней человека (они называют эту гипотезу сильным антропным принципом). Обычным же людям, далёким от науки, кажется, что Солнце и Земля созданы для человека, и что бы ни происходило на Земле – войны, эпидемии, революции и другие катаклизмы, космический миропорядок при этом останется вечно неизменным. Отсюда пошло ещё широко бытующее настроение[3] о вечности и неизменности Солнца, Земли и человеческой формы жизни. Это настроение хорошо передано американским астрофизиком Карлом Саганом в словах о Земле, как о “чудесном и относительно спокойном месте”, “где ход вещей меняется, но медленно. Можно прожить целую жизнь и никогда не столкнуться со стихийным бедствием страшнее урагана. Это делает нас благодушными, расслабленными и беззаботными” (“Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации”, Карл Саган). С развитием науки и углублением нашего знания о строении Космоса[4] это блаженное представление о Земле, как о тихом уголке Вселенной должно навсегда уйти в прошлое. Естественная история непреложно свидетельствует – в Космосе нет ничего неизменного, космические миры появляются, существуют и прекращают существование своё в соответствии со строгими законами эволюции[5], и Земля не является исключением из них. Появление Земли и жизни на ней, в том числе – человека, есть не что иное, как этап эволюции[6] Солнечной системы, которая в свою очередь является этапом эволюции Космоса. В соответствии с законами эволюции Солнце или живая Земля не являются целью эволюции Космоса, и у них есть не только начало, но и конец.
Конец Солнца является закономерным результатом его эволюции. Эволюция Солнца это последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение своей жизни, с момента рождения до её гибели. Звезда живёт, пока она выделяет энергию. Установлено, что источником солнечной энергии является происходящий в его недрах термоядерный синтез, в процессе которого четыре ядра водорода сливаются, образуя ядро гелия, испуская при этом кванты гамма-излучения. Энергия, выработанная в процессе термоядерного синтеза, передаётся внешним слоям посредством переизлучения через зону лучистого переноса. Перенос энергии происходит с помощью теплопередачи, а также путём последовательного поглощения и излучения фотонов отдельными слоями частиц. Гамма-квант, приходящий из солнечного ядра поглощается частицей вещества (атомным ядром либо свободным протоном), после чего возбуждённая частица излучает новый квант света. Этот фотон имеет направление, никак не зависящее от направления поглощённого фотона и может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет 170 тысяч лет. В силу того, что энергия излучённого фотона всегда меньше энергии поглощённого, спектральный состав излучения по мере прохождения лучистой зоны меняется. Если на входе в зону всё излучение представлено чрезвычайно коротковолновым гамма-излучением, то, покидая зону лучистого переноса световой поток излучения представляет собой “смесь”, охватывающую практически все длины волн, включая и видимый свет. Каждый гамма-квант из ядра Солнца преобразуется в несколько миллионов видимых фотонов, которые и излучаются с поверхности. В результате термоядерной реакции в ядре Солнца запасы его водородного топлива истощаются, и зона “горения” водорода смещается от центра Солнца на его периферию, из-за чего неуклонно увеличивается светимость Солнца.
Солнечная светимость – это показатель количества энергии, выделяемой Солнцем в единицу времени. Солнечная светимость характеризует мощность солнечного излучения. Солнечное излучение – это электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Оно измеряется по его тепловому действию (калории на единицу поверхности за единицу времени) и интенсивности (ватты на единицу поверхности). В целом, Земля получает от Солнца менее 0,5×10−9 от его излучения. До земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации. Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк – от радиоволн до рентгеновских лучей – однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра. Электромагнитная составляющая солнечного излучения распространяется со скоростью света и проникает в земную атмосферу. Существует также корпускулярная часть солнечного излучения – солнечный ветер, состоящая преимущественно из протонов, движущихся от Солнца со скоростями 300—1500 км/с. Во время солнечных вспышек образуются также частицы больших энергий (в основном протоны и электроны), образующие солнечную компоненту космических лучей. Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнитной. Поэтому в ряде приложений термин “солнечное излучение” используют в узком смысле, имея в виду только её электромагнитную часть.
Мощность солнечного излучения характеризуется солнечной постоянной – суммарным потоком солнечного излучения, проходящего за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений сейчас солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м², или 1,959 кал/см²·мин. Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м² (при ясной погоде и когда Солнце находится в зените).
Таблица, представленная ниже, содержит стандартные значения поверхностной плотности потока солнечного излучения для различных планет солнечной системы.
| Планета | Расстояние от Солнца (х 109 м) |
Солнечная постоянная (Вт/м2) |
| Меркурий | 57 | 9228 |
| Венера | 108 | 2586 |
| Земля | 150 | 1353 |
| Марс | 227 | 586 |
| Юпитер | 778 | 50 |
| Сатурн | 1426 | 15 |
| Уран | 2868 | 5 |
| Нептун | 4497 | 2 |
| Плутон | 5806 | 1 |
Таблица 1. Таблица значений солнечной постоянной для планет Солнечной системы сейчас
(2014 г.).
Солнечную постоянную лишь условно можно считать постоянной – мощность Солнечного излучения линейно увеличивается на 1% каждые 110 миллионов лет. В действительности Солнечная постоянная названа так только для удобства работы с ней, так как рост её значения на малых промежутках времени ничтожно мал и не оказывает заметного влияния на биосферу Земли. Однако в долгосрочной перспективе рост Солнечной светимости вызывает на планетах глобальные изменения. Так, например, в ранней Солнечной системе – 4,5 миллиардов лет назад, интенсивность солнечного излучения составляла примерно 70% от текущего значения, и Венера имела самые благоприятные условия для зарождения и существования органической жизни[7]. В процессе эволюции Солнца интенсивность его излучения увеличивалась, что вело к росту температуры на планетах. В результате роста Солнечного излучения поверхность и атмосфера Венеры разогрелись в среднем до +470°С, а из-за сильного парникового эффекта атмосферное давление на поверхности достигло 90 атмосфер, что 90 раз превосходит земное и соответствует давлению воды на Земле на глубине 1 километр, что делает невозможным существование на Венере любых известных науке форм жизни. Теперь уже понятно, что высокая температура поверхности Венеры является следствием мощного парникового эффекта. Солнечный свет проходит сквозь атмосферу и облака Венеры, которые полупрозрачны для видимого света, и достигает поверхности. Нагретая поверхность пытается посредством излучения отдать теплоту космосу. Поскольку Венера намного холоднее Солнца, она испускает излучение преимущественно в инфракрасном, а не в видимом диапазоне спектра. Однако углекислый газ и водяной пар в атмосфере Венеры почти идеально поглощают инфракрасное излучение, солнечное тепло оказывается в ловушке, и температура поверхности растёт – пока та небольшая доля инфракрасного излучения, которой удается просочиться сквозь мощную атмосферу, не уравновесит солнечный свет, поглощаемый нижними слоям и атмосферы и поверхностью. Как и на Венере, на нашей планете работает парниковый эффект, создаваемый углекислым газом и водяным паром. Если бы не он, глобальная температура опустилась бы ниже точки замерзания воды. Благодаря ему океаны остаются жидкими и на Земле возможна жизнь. Углекислоты на Земле практически столько же, сколько на Венере, – её хватило бы для создания давления 90 атмосфер; но эта углекислота связана в земной коре в форме известняка и других карбонатов, а не находится в атмосфере. С увеличением светимости Солнца температура на Земле вырастет. Это вызовет выделение части СO2 из близких к поверхности пород и усилит парниковый эффект, обусловив дальнейший нагрев поверхности. Карбонаты на горячей поверхности будут выделять всё больше СO2, и не исключено, что парниковый эффект пойдёт вразнос. Именно это, по-видимому, и произошло в ранний период истории Венеры из-за её близости к Солнцу. Венера являет собой предупреждение о катастрофе, которая случится с нашей планетой.
Таким образом, рост светимости Солнца приведёт к тому, что температура поверхности Земли станет столь высока, что биосфера – живая оболочка Земли, погибнет.
Рисунок 2. Диаграмма роста светимости Солнца во время его эволюции
(вертикальной пунктирной чертой показано современное положение звезды)
По разным подсчётам до конца органической жизни на Земле вследствие роста Солнечной светимости осталось от 0,5 до 1 миллиарда лет. Профессор Джеймс Кастинг, климатолог, из университета штата Пенсильвания, США, выступая перед коллегами в 2008 году, сказал: “Солнце, как и все звёзды главной последовательности[8], становится ярче с течением времени и в конечном итоге его температура станет катастрофически высокой для климата Земли. Астрономы всегда знали, что вода с поверхности Земли испарится в космос, и связывали с этим конец жизни, но они, как правило, думали, что это будет происходить только тогда, когда Солнце покинет главную последовательность – что будет через пять миллиардов лет. Тем не менее, мои расчёты показывают, что катастрофический финал произойдёт гораздо раньше. Уже через 500 миллионов лет повышение температуры поверхности Земли ускорит неорганическую циркуляцию CO2, уменьшив его концентрацию до смертельно низкого для растений уровня, чтобы поддержать фотосинтез. Исчезновение растительности приведёт к снижению содержания кислорода в атмосфере и жизнь на Земле станет невозможной за несколько миллионов лет. Если мы рассчитали правильно, Земля была обитаемой в течение 4,5 миллиардов лет и имеет только 500 миллионов лет в запасе. Таким образом, жизнь на Земле уже в закате”.
500 миллионов лет относительно небольшой срок для того, чтобы человечество успело обрести себе новый космический дом и/или, если это возможно, трансформироваться в синтетическую форму жизни, стойкую к катастрофам органического мира. После осознания неизбежности биосферной катастрофы, человечество должно быть предельно честным перед самим собою и должно сказать самому себе, что у него нет более важного дела, чем решение проблемы выживания, и чем раньше оно приступит к решению этой задачи, тем больше будет у него шансов выжить в космической катастрофе и продолжить жизнь в изменившихся условиях. Отныне единственной философией человечества должна стать философия прогресса, а целью каждого человека должны стать внуки внуков его детей, о чём писал еще К. Циолковский, имея в виду находящееся в основании человеческой жизни единство всего сущего (монизм): “Наши интересы и интересы правнуков сливаются. Если правнукам будет плохо, то космос будет несовершенен. А если он будет таков, то и нам будет несладко. Стараясь о внуках, мы заботимся о самих себе…” (“Монизм Вселенной”). Таким образом, единственной мыслью каждого человека должна стать мысль о прогрессе знания, науки и техники, только на пути развития которых человечество может обрести свободу от уничтожающих его зависимостей материального мира. Однако в действительности человечество живёт с разрывом между имеющимся у него знанием[9] будущего[10] и существующим настроением в отношении будущего, которое можно охарактеризовать как беззаботное и даже эйфорическое. Человечество живёт в эйфории от настоящего[11] и современного[12], не начиная размышлять о будущем, его настроение не соответствует имеющемуся у него знанию, – между ними существует разрыв и, как показывает история, чем ближе человечество приближается к своему концу, тем шире этот разрыв. Разрыв между настоящим и будущим может привести к нарушению непрерывности, целостности эволюции человека, повреждению его сущности, но человек не размышляет об этом разрыве. Мало того, он не хочет ничего знать об этом разрыве. Примером такого отношения к будущему может служить отношение православного монархиста Василия Розанова к поиску исследователями природы научной истины. В своём произведении “Апокалипсис нашего времени” (1917-1918), он пишет:
«Говорят: “Нет вечного perpetuum mobile”. Доказывают. Наука. Свинья, роющая носом землю: посмотри вверх. Солнце.
Сказать: “солнце устало”, “теряет энергию” – бессмыслица. Поистине оно – не истощается, и всё как-то – живёт. Вот что если “не скучно” – то солнышко... Протуберанцы. Играет. Вулканы. “Корона – солнечная” (видна в затмениях). И – эти таинственные “ультрафиолетовые лучи”, от коих, говорят, — вся жизнь».
После написания Розановым “Апокалипсиса нашего времени” прошло чуть менее ста лет. О том, что Солнце не вечно, пишут уже в детских книжках: “С момента возникновения Солнца его светимость увеличивается на 1 процент каждые 110 миллионов лет. Через 3,5 миллиардов лет наше Солнце станет горячее на 40%, потом оно превратится в красного гиганта и достигнет орбиты Земли, но к тому времени Земля уже станет необитаемой, а все люди переселятся на другие планеты”. Однако до сих пор подавляющее большинство человечества полагает, что Солнце и порождённая им жизнь – вечны. Вот что сказал, уже по прошествии ста лет после того, как астрофизика пришла к выводу о конечности Солнца, один таксист с Павелецкого вокзала: “Разве может быть, чтобы Солнце погасло?” Моё общение с людьми убеждает меня в том, что более 90% из вас склонны думать так же, как православный монархист Розанов и таксист с Павелецкого вокзала. Однако проблема человечества состоит не только в его невежестве относительно своего будущего. Невежество человечества является только следствием несовершенной системы его политического самоуправления, когда власть достаётся невежественным и недалёким в умственном развитии, но властолюбивым людям, для которых власть самоценна. Тираны используют власть для удовлетворения собственных прихотей, но не для решения проблем человечества, – они не уважают человечество и боятся образованных людей. Тираны опираются на невежественных людей, потому что могут управлять только невежественными людьми. Преимущественным настроением невежественной массы является близкое сытому животному эйфорическое настроение. Используя методы пропаганды и государственного управления системой образования, тираны специально понижают уровень научной образованности людей, чтобы понизить уровень их потребностей, ибо потребности человека растут прямо пропорционально его знаниям о мире. Чем ниже потребности людей – тем легче их удовлетворить, да к тому же невежественные люди не задают вопросов о своём будущем, в этом они всецело полагаются на своих тиранов, выступающих под маской вождей и жрецов. Вожди и жрецы в действительности являются пастухами человеческого стада, в которое превращается невежественное человечество. Невежественное человечество является как раз той массой, о которой писал Фридрих Ницше (“Воля к власти”, “Антихрист”). Эта масса не заглядывает за горизонт современности, она живёт текущим днём по принципу – “после нас, хоть потоп” и не всматривается в приближающееся будущее. Масса судит о качестве своей жизни подобно животному, по уровню получаемого ею здесь и сейчас удовольствия; удовольствие погружает её в состояние эйфории от настоящего, которая создаёт в сознании массы эйфорическую же картинку будущего. Невежество подобно наркотику. Как наркотик создаёт в мутных остатках сознания наркомана эйфорическую картинку “счастливой реальности”, невежество формирует в сознании невежественного человека ложную модель реальности – в реальном мире это прямой путь к катастрофе. Задача же заключается в том, чтобы вывести человечество из состояния эйфории и вернуть ему ощущение и понимание реальности[13], чтобы знание человеком настоящего[14] будущего определяло его деятельность в настоящем, чтобы отныне и навсегда все ресурсы, которыми располагает и когда-нибудь будет располагать человечество, были направлены на решение только одной задачи – сохранение человеческой формы жизни в пространстве-времени Вселенной. Человек должен думать о своём настоящем будущем, чтобы знать своё настоящее будущее, ибо в этот раз его будущее зависит только от него самого. Таким образом, задача познания будущего и способов его создания, становится для человека жизненной необходимостью.
3. Астрономическая модель Солнечной системы
В астрономической картине мира Солнечная система – это планетная система, включающая в себя единственную звезду – Солнце, и все обращающиеся вокруг Солнца естественные космические объекты.
Звезда – это излучающий свет массивный газовый шар, удерживаемый силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза.
3.1. Место Солнечной системы в галактике Млечный Путь
Солнечная система находится на окраине рукава галактики Млечный Путь, одной из сотен миллиардов наблюдаемых галактик нашей Вселенной.
Млечный Путь – гравитационно связанная система, содержащая около 300 миллиардов звёзд, тысячи гигантских облаков газа и пыли, скоплений, туманностей и “тёмной материи”. Галактика включает в себя три различимые части: 1 – центральное ядро, которое состоит из миллиардов звёзд; в центре ядра находится массивная черная дыра; 2 – относительно тонкий диск из звёзд, газа и пыли диаметром 100 000 световых лет и толщиной несколько тысяч световых лет; 3 – сферическое гало (корона), содержащее карликовые галактики, шаровые звёздные скопления, отдельные звёзды, группы звёзд, пыль и газ. Кроме этого, Галактика содержит тёмную материю, которой гораздо больше, чем всего видимого вещества во всех диапазонах. Галактика вращается, но не равномерно всем диском. С приближением к центру угловая скорость вращения звёзд вокруг центра Галактики растёт.
Согласно последним научным оценкам, расстояние от Солнца до галактического центра составляет 26 000 ± 1 400 световых лет, в то время как согласно предварительным оценкам наша звезда должна находиться на расстоянии около 35 000 световых лет от перемычки. Это означает, что Солнце расположено ближе к краю диска, чем к его центру. Вместе с другими звёздами Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью 220–240 км/с, делая один оборот примерно за 200 млн. лет. Таким образом, за всё время существования Земля облетела вокруг центра Галактики не более 30 раз.
В окрестностях Солнца удаётся отследить участки двух спиральных рукавов, которые удалены от нас примерно на 3 тыс. световых лет. По созвездиям, где наблюдаются эти участки, им дали название рукав Стрельца и рукав Персея. Солнце расположено почти посередине между этими спиральными ветвями. Но сравнительно близко от нас (по галактическим меркам), в созвездии Ориона, проходит ещё один, не очень чётко выраженный рукав – рукав Ориона, который считается ответвлением одного из основных спиральных рукавов Галактики.
Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики почти совпадает со скоростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом: спиральные рукава вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы в колесах, а движение звёзд происходит с другой закономерностью, поэтому почти всё звёздное население диска то попадает внутрь спиральных рукавов, то выпадает из них. Единственное место, где скорости звёзд и спиральных рукавов совпадают – это так называемый коротационный круг, и именно на нём расположено Солнце. Для Земли это обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в спиральных рукавах происходят бурные процессы, образующие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не смогла бы от него защитить. Но наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов (или даже миллиардов) лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно, именно поэтому на Земле смогла родиться и сохраниться жизнь.
Рисунок 3. Крупномасштабная структура Вселенной, как она выглядит в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм – 1 600 000 галактик, зарегистрированных в Extended Source Catalog как результат Two Micron All-Sky Survey. Яркость галактик показана цветом от синего (самые яркие) до красного (самые тусклые). Тёмная полоса по диагонали и краям картины – расположение Млечного пути, пыль которого мешает наблюдениям.
Рисунок 4. Фрагмент крупномасштабной структуры Вселенной: звёздные системы образуют звёздные скопления, которые, в свою очередь, образуют галактики. Позже были найдены скопления галактик и сверхскопления галактик. Сверхскопление – самый большой тип объединения галактик, включает в себя тысячи галактик. В каждой галактике может содержаться 100-200 и даже 300 миллиардов звёзд. Форма таких скоплений может быть различна: от цепочки, такой как цепочка Маркаряна, до стен, как великая стена Слоуна. Разумно было бы предположить, что эта иерархия распространяется дальше на сколь угодно много уровней, но в 1990-е Маргарет Геллер и Джон Хукра выяснили, что на масштабах порядка 300 мега-парсек Вселенная практически однородна и представляет собой совокупность нитевидных скоплений галактик, разделённых областями, в которых практически нет светящейся материи.
Рисунок 5. Устройство Галактики Млечный Путь
3.2. Состав Солнечной системы
Солнечная система состоит из Солнца, межпланетной среды, внутренней области, внешней области, отдалённой области и пограничной области.
Солнце – гравитационный центр Солнечной системы, вокруг него обращаются (по мере удаления) планеты внутренней группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), пояс астероидов, планеты внешней группы (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), кометы, кентавры, транснептуновые объекты, далее расположен рассеянный диск, гелиосфера, облако Оорта и пограничные области.
Рисунок 6. Строение Солнечной системы (не в масштабе)
Межпланетная среда
Наряду со светом, Солнце излучает непрерывный поток заряженных частиц (плазмы), известный как солнечный ветер. Этот поток частиц распространяется со скоростью примерно 1,5 млн. км в час, наполняя околосолнечную область и создавая у Солнца некий аналог планетарной атмосферы (гелиосферу), которая имеется на расстоянии, по крайней мере, 100 а.е. от Солнца. Она известна как межпланетная среда. Проявления активности на поверхности Солнца, такие как солнечные вспышки и корональные выбросы массы, возмущают гелиосферу, порождая космическую погоду. Крупнейшая структура в пределах гелиосферы – гелиосферный токовый слой; спиральная поверхность, созданная воздействием вращающегося магнитного поля Солнца на межпланетную среду.
Магнитное поле Земли мешает солнечному ветру сорвать атмосферу Земли. Венера и Марс не имеют магнитного поля, и в результате солнечный ветер постепенно сдувает их атмосферы в космос. Корональные выбросы массы и подобные явления изменяют магнитное поле и выносят огромное –количество вещества с поверхности Солнца – порядка 109–1010 тонн в час. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, это вещество попадает преимущественно в верхние приполярные слои атмосферы Земли, где от такого взаимодействия возникают полярные сияния, наиболее часто наблюдаемые около магнитных полюсов.
Космические лучи происходят извне Солнечной системы. Гелиосфера и, в меньшей степени, планетарные магнитные поля частично защищают Солнечную систему от внешних воздействий. Как плотность космических лучей в межзвёздной среде, так и сила магнитного поля Солнца изменяются с течением времени, таким образом, уровень космического излучения в Солнечной системе непостоянен.
Межпланетная среда является местом формирования, по крайней мере, двух дископодобных областей космической пыли. Первая, зодиакальное пылевое облако, находится во внутренней части Солнечной системы и является причиной, по которой возникает зодиакальный свет. Вероятно, она возникла из-за столкновений в пределах пояса астероидов, вызванных взаимодействиями с планетами. Вторая область простирается приблизительно от 10 до 40 а.е. и, вероятно, возникла после подобных столкновений между объектами в пределах пояса Койпера.
Внутренняя область
Внутренняя область состоит из планет земной группы и пояса астероидов.
Планеты земной группы, Меркурий, Венера, Земля и Марс, состоят в основном из силикатов и металлов. Земля является уникальной, на ней существует органическая жизнь, известной вершиной которой является homo sapiens (человек разумный). У Земли есть один естественный спутник – Луна.
Пояс астероидов занимает орбиту между Марсом и Юпитером, между 2,3 и 3,3 а.е. от Солнца. Астероиды – самые распространённые малые тела Солнечной системы. Полагают, что это остатки формирования Солнечной системы, которые были не в состоянии объединиться в крупное тело из-за гравитационных возмущений Юпитера. Размеры астероидов варьируются от нескольких метров до сотен километров. Крупнейшими объектами пояса астероидов являются карликовая планета Церера (имеет диаметр немногим менее 1000 км и массу, достаточно большую, чтобы под действием собственной гравитации поддерживать сферическую форму), и астероиды Паллада, Веста и Гигея. Пояс содержит десятки тысяч, возможно, миллионы объектов больше одного километра в диаметре. Несмотря на это, общая масса астероидов пояса вряд ли больше одной тысячной массы Земли. Небесные тела с диаметрами от 100 мкм до 10 м называют метеороидами. Частицы ещё меньше считаются космической пылью.
Рисунок 7. Приблизительное соотношение размеров планет и Солнца. Межпланетные расстояния не в масштабе. Солнце изображено слева, далее (слева направо) – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
Внешняя область
Внешняя область Солнечной системы является местом нахождения газовых гигантов и их спутников. Орбиты многих короткопериодических комет, включая кентавров, также проходят в этой области. Твёрдые объекты этой области из-за их большего расстояния от Солнца, а значит, гораздо более низкой температуры, содержат льды воды, аммиака и метана.
Планеты внешней группы, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, намного более массивны, чем планеты внутренней группы. Крупнейшие планеты Солнечной системы, Юпитер и Сатурн, состоят, главным образом из водорода и гелия; меньшие – Уран и Нептун, помимо водорода и гелия, содержат в своём составе метан и угарный газ. Каждая из планет внешней группы окружена кольцами пыли и других частиц.
За орбитой Нептуна располагаются транснептуновые объекты, состоящие из замёрзшей воды, аммиака и метана, крупнейшими из которых являются Плутон, Седна, Хаумеа, Макемаке, Квавар, Орк и Эрида. В Солнечной системе существуют и другие популяции малых тел, такие как планетные квазиспутники и троянцы, околоземные астероиды, кентавры, дамоклоиды, а также перемещающиеся по системе кометы, метеороиды и космическая пыль. Кометы – малые тела Солнечной системы, обычно размером всего в несколько километров, состоящие главным образом из летучих веществ (льдов). Их орбиты имеют большой эксцентриситет, как правило, с перигелием в пределах орбит внутренних планет и афелием далеко за Плутоном. Когда комета входит во внутреннюю область Солнечной системы и приближается к Солнцу, её ледяная поверхность начинает испаряться и ионизироваться, создавая кому – длинное облако из газа и пыли, часто видимое с Земли невооружённым глазом. Кентавры — ледяные кометоподобные объекты с большой полуосью, большей, чем у Юпитера (5,5 а.е.) и меньшей чем у Нептуна (30 а.е.). У крупнейшего из известных кентавров, Харикло, диаметр приблизительно равен 250 км. Пространство за Нептуном, или “регион транснептуновых объектов”, всё ещё в значительной степени не исследовано. Предположительно, оно содержит только малые тела, состоящие главным образом из камней и льда. Этот регион иногда также включают во «внешнюю Солнечную систему», хотя чаще этот термин используют, чтобы обозначать пространство за поясом астероидов и до орбиты Нептуна.
Отдаленные области
Вопрос о том, где именно заканчивается Солнечная система и начинается межзвёздное пространство, неоднозначен. Ключевыми в их определении принимают два фактора: солнечный ветер и солнечное тяготение. Внешняя граница солнечного ветра _ гелиопауза, за ней солнечный ветер и межзвёздное вещество смешиваются, взаимно растворяясь. Гелиопауза находится примерно в четыре раза дальше Плутона и считается началом межзвёздной среды. Однако предполагают, что область, в которой гравитация Солнца преобладает над галактической – сфера Хилла, простирается в тысячу раз дальше.
Пограничные области
Большая часть нашей Солнечной системы всё ещё неизвестна. По оценкам, гравитационное поле Солнца преобладает над гравитационными силами окружающих звёзд на расстоянии приблизительно двух световых лет (125 000 а.е.). В сравнении, нижние оценки радиуса облака Оорта не размещают его дальше 50 000 а.е. Несмотря на открытия таких объектов как Седна, область между поясом Койпера и облаком Оорта радиусом в десятки тысяч а.е. и тем более само облако Оорта и то, что может находиться за ним, всё ещё практически не исследованы.
4. Строение Солнца и его эволюция
4.1. Общие сведения
Солнце (астр. ☉ ) – одна из сотен миллиардов звёзд галактики Млечный путь и единственная звезда Солнечной системы – гравитационный центр и главный источник энергии в ней. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле (свет необходим для начальных стадий фотосинтеза) и определяет климат. На момент образования Солнце состояло из водорода (примерно ~ 73% от массы и 92% от объёма), гелия (примерно ~ 25 % от массы и 7 % от объёма) и других элементов с меньшей концентрацией: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. Водород является топливом для термоядерной реакции в ядре Солнца.
По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V (“жёлтый карлик”). Жёлтый карлик – тип небольших звёзд главной последовательности, имеющих массу от 0,8 до 1,2 массы Солнца и температуру поверхности 5000–6000 K. Соответственно своему названию, по результатам фотометрии они имеют жёлтый цвет, хотя субъективно их цвет воспринимается человеком как наиболее чистый белый. Основным источником их энергии является термоядерный синтез гелия из водорода. Самым известным жёлтым карликом является Солнце. Другие известные звёзды: Эпсилон Эридана, Альфа Центавра А, Альфа Северной Короны В, Тау Кита.
Время жизни жёлтого карлика составляет в среднем 10 миллиардов лет. После того, как сгорает весь запас водорода, звезда во много раз увеличивается в размере и превращается в красный гигант. Примером такого типа звёзд может служить Альдебаран. Красный гигант выбрасывает внешние слои газа, образуя тем самым планетарные туманности, а ядро коллапсирует в маленький, плотный белый карлик.
Удалённость Солнца от Земли составляет 149 миллионов 600 тысяч километров. Свет доходит от Солнца до Земли примерно за 500 секунд (8 минут 20 секунд).
Рисунок 8. Главная последовательность. Сопоставление светимостей звезд с их спектральными классами впервые было сделано в начале XX века Эйнаром Герцшпрунгом и Генри Расселом, поэтому диаграмму спектр-светимость часто называют диаграммой Герцшпрунга-Рассела. Схема с сайта: http://www.astrolab.ru
4.2. Физическое строение Солнца
Жизнь Солнца связана с выделением им энергии в виде гамма-излучения, которое внутри Солнца преобразуется в электромагнитное излучение (свет и тепло) и кинетическую энергию частиц (солнечный ветер). Источником Солнечной энергии является происходящий в его ядре термоядерный синтез гелия из водорода, в процессе которого четыре протона соединяются через ряд промежуточных этапов в одну альфа-частицу с выделением гамма- и рентгеновских лучей.
Рисунок 9. Протон-протонный цикл – одна из термоядерных реакций в звёздах: из водорода образуется дейтерий, потом нестабильный изотоп гелий-3 и, в конце концов, очень устойчивый изотоп гелий-4.
Энергия, выработанная в процессе термоядерного синтеза, передается внешним слоям посредством переизлучения через зону лучистого переноса. Далее в передаче излучения начинают участвовать конвективные потоки плазмы – слой, в котором это происходит, называется конвективной зоной. Далее конвективной зоны располагается фотосфера, за ней следует хромосфера. Хромосферу венчает Солнечная корона. Далее солнечной короны простирается гелиосфера – пространство переноса исторгнутого из Солнца солнечного вещества. Солнечное излучение простирается далее границ гелиосферы, однако с удалением от Солнца оно рассеивается в пространстве и теряет свою мощность. Достигая поверхность Земли, солнечное излучение превращается в жизнь.
Рисунок 10. Внутреннее строение Солнца
1. Солнечное ядро
Солнечное ядро – это термоядерный реактор. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4 с выделением гамма-лучей и рентгеновских лучей. При этом каждую секунду “сгорает” 600 млн. тонн водорода, а в энергию превращаются 4,26 млн. тонн вещества. Вся энергия ядра последовательно проходит сквозь слои и излучается с поверхности Солнца в виде солнечного света и кинетической энергии.
2. Зона лучистого переноса
Зона лучистого переноса располагается непосредственно над солнечным ядром, на расстояниях от 0,2–0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра. Выше зоны лучистого переноса находится конвективная зона. Нижней границей зоны считают линию, ниже которой происходят термоядерные реакции, верхней – границу, выше которой начинается активное перемешивание вещества.
Водород в зоне лучистого переноса сжат настолько плотно, что соседние протоны не могут поменяться местами, из-за чего перенос энергии путём перемешивания вещества очень затруднён. Дополнительные препятствия для перемешивания вещества создаёт низкая скорость убывания температуры по мере движения от нижних слоёв к верхним, которая обусловлена, прежде всего, высокой теплопроводностью водорода. Прямое излучение наружу также невозможно, поскольку водород непрозрачен для излучения, возникающего в ходе реакции ядерного синтеза.
Перенос энергии происходит с помощью теплопередачи, а также путём последовательного поглощения и излучения фотонов отдельными слоями частиц. Гамма-квант, приходящий из солнечного ядра поглощается частицей вещества (атомным ядром либо свободным протоном), после чего возбуждённая частица излучает новый квант света. Этот фотон имеет направление, никак не зависящее от направления поглощённого фотона и может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет 170 тысяч лет. В силу того, что энергия излучённого фотона всегда меньше энергии поглощённого, спектральный состав излучения по мере прохождения лучистой зоны меняется. Если на входе в зону всё излучение представлено чрезвычайно коротковолновым гамма-излучением, то, покидая зону лучистого переноса световой поток излучения представляет собой “смесь”, охватывающую практически все длины волн, включая и видимый свет. Каждый гамма-квант из ядра Солнца преобразуется в несколько миллионов видимых фотонов, которые и излучаются с поверхности.
3. Конвективная зона
Зона конвекции – область Солнца, в которой перенос энергии из внутренних районов во внешние происходит главным образом путём активного перемешивания вещества – конвекции. Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности (фотосфере) совершается преимущественно движениями самого вещества. С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, – конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха. Наглядным аналогом процессов, происходящих в конвективной зоне, является подогрев воды в сосуде. Пламя нагревает нижние слои воды, и они в результате теплового расширения вытесняются вверх другими, холодными и более тяжёлыми слоями. Аналогичный процесс происходит и в Солнце, где источником энергии служит солнечное ядро с происходящими в нём термоядерными реакциями.
Движение вещества в конвективной зоне происходит не хаотично, а в виде устойчивых ячеек циркуляции шестигранной формы – по оси ячейки вещество поднимается, а у периферии опускается. Скорость конвекции зависит от глубины. У основания конвективной зоны она мала (десятки м/c), под фотосферой она достигает значений 1–2 км/с.
Конвективная зона занимает приблизительно треть объёма звезды. Когда горячая плазма поднимается к верхней границе конвективной зоны, она охлаждается за счёт излучения энергии в фотосферу, остывает и погружается вглубь, где нагревается излучением лучистой зоны, после чего цикл повторяется. Поскольку зона ядерных реакций отделена от зоны перемешивания вещества зоной лучистого переноса, то гелий практически не выносится в поверхностные слои Солнца, а накапливается в его ядре.
4. Фотосфера
Фотосфера – излучающий слой звёздной атмосферы, в котором формируется непрерывный спектр излучения. Из фотосферы исходит основная часть оптического (видимого) излучения Солнца, излучение же из более глубоких слоёв до неё уже не доходит. Фотосфера существенно непрозрачна, она поглощает и затем переизлучает энергию, поступающую из недр звезды. В силу непрозрачности фотосферы перенос энергии идёт конвективным путём: в случае солнечной фотосферы конвекция наблюдается как грануляция фотосферы, то есть в виде светлых горячих конвективных ячеек (гранул). Протяжённость достигает толщины, по разным оценкам, от 100 до 400 км.
Температура по мере приближения к внешнему краю фотосферы уменьшается с 6600 К до 4400 К. Эффективная температура фотосферы в целом составляет 5778 К. Температура фотосферы растёт с глубиной. На поверхности фотосферы Солнца также наблюдаются крупномасштабные области пониженной температуры – солнечные пятна (разница температуры достигает 1500 К).
В фотосфере формируется непрерывный спектр излучения Солнца.
5. Хромосфера
Хромосфера – внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. Верхняя граница хромосферы не имеет выраженной гладкой поверхности, из неё постоянно происходят горячие выбросы вещества, называемые спикулами. Число спикул, наблюдаемых одновременно, составляет в среднем 60–70 тысяч. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 20 000 К.
6. Солнечная корона
Корона – последняя внешняя оболочка Солнца. Корона в основном состоит из протуберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько сотен тысяч и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Средняя корональная температура составляет от 1 000 000 до 2 000 000 К, а максимальная, в отдельных участках, – от 8 000 000 до 20 000 000 К. Несмотря на такую высокую температуру, она видна невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения, так как плотность вещества в короне мала, а потому невелика и её яркость. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности. Поскольку температура короны очень велика, она интенсивно излучает в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Эти излучения не проходят сквозь земную атмосферу. Излучение в разных областях короны происходит неравномерно. Существуют горячие активные и спокойные области, а также корональные дыры с относительно невысокой температурой в 600 000 К, из которых в пространство выходят магнитные силовые линии. Такая “открытая” магнитная конфигурация позволяет частицам беспрепятственно покидать Солнце, поэтому солнечный ветер испускается в основном из корональных дыр.
7. Солнечный ветер
Из внешней части солнечной короны истекает солнечный ветер – поток ионизированных частиц (в основном протонов, электронов и α-частиц), распространяющийся с постепенным уменьшением своей плотности, до границ гелиосферы. Солнечный ветер разделяют на два компонента – медленный солнечный ветер и быстрый солнечный ветер. Медленный солнечный ветер имеет скорость около 400 км/с и температуру 1,4–1,6·106 К и по составу близко соответствует короне. Быстрый солнечный ветер имеет скорость около 750 км/с, температуру 8·105 К, и по составу похож на вещество фотосферы. Медленный солнечный ветер вдвое более плотный и менее постоянный, чем быстрый. Медленный солнечный ветер имеет более сложную структуру с регионами турбулентности.
В среднем Солнце излучает с ветром около 1,3·1036 частиц в секунду. Следовательно – полная потеря массы Солнцем (на данный вид излучения) составляет за год 2–3·10−14 солнечных масс. Это эквивалентно потере массы, равной земной, за 150 миллионов лет. Многие природные явления на Земле связаны с возмущениями в солнечном ветре, в том числе геомагнитные бури и полярные сияния.
4.3. Эволюция Солнца
Эволюция Солнца – это последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение своей жизни.
Солнце начало свою жизнь как холодное разрежённое молекулярное облако межзвёздного газа, сжимающееся под действием собственного тяготения и постепенно принимающее форму шара. При сжатии энергия гравитации переходила в тепло, и температура внутри шара возрастала. Когда температура в центре протозвезды достигла 15–20 миллионов кельвинов, началась термоядерная реакция и сжатие прекратилось – протозвезда[15] стала полноценной звездой.
Солнце – это звезда второго поколения, образованная из водорода и гелия, и обогащённая тяжёлыми элементами (тяжелее гелия). В первой стадии жизни звезды, подобной нашему Солнцу, доминируют реакции водородного цикла. В таком состоянии звезда пребывает примерно 90% времени своей жизни, находясь на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Расселла, пока не закончатся запасы топлива в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превратится в гелий, там образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжится на периферии ядра. В этот период структура звезды начинает меняться. Зона термоядерного синтеза начинает смещаться от центра к периферии, из-за чего растёт светимость звезды, её внешние слои расширяются, а температура поверхности снижается – звезда становится красным гигантом. Красные гиганты имеют относительно короткий срок эволюции, которая приводит их, в зависимости от массы, к образованию белых карликов, нейтронных звёзд или чёрных дыр.
Рисунок 11. Этапы эволюции Солнца
5. Образование и эволюция Солнечной системы, Земли и биосферы
Современной научной гипотезой формирования Солнечной системы является гипотеза солнечной туманности[16], по которой Солнечная система образовалась из большого облака межзвёздной пыли и газа. Облако состояло главным образом из водорода и гелия, которые образовались после Большого взрыва, и более тяжёлых элементов, оставленных взрывами сверхновых. Примерно 4,6 миллиардов лет назад оно стало сжиматься под действием силы гравитации. Спусковым механизмом гравитационного сжатия стало небольшое спонтанное уплотнение вещества облака, повлекшее гравитационную неоднородность, его возможными причинами могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, крупного астероида или другого объекта. Уплотнение стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества. Сжимающееся облако обладало некоторым начальным угловым моментом. В процессе гравитационного сжатия размеры облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения, скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска. Как следствие гравитационного сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно росла по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска. При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться – так сформировалась протозвезда. Под действием силы гравитации протозвезды вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая силу гравитации, давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска. Когда температура в центре протозвезды достигла 15-20 миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности – наше Солнце. При этом вещество протопланетного диска, не падавшее на протозвезду и Солнце, под действием локальных сил притяжения, сливалось в первые планетоиды. В процессе аккреции[17] планетоиды, пыль, газ и обломки протопланетного диска, сливались во всё более крупные объекты, формируя планеты. Примерная дата образования Земли – 4,54±0,04 миллиардов лет назад. Весь процесс формирования планеты занял примерно 10–20 миллионов лет.
Протоземля увеличилась за счёт аккреции, и была достаточно раскалена, чтобы расплавлять металлы и минералы. Железо, а также геохимически родственные ему сидерофильные элементы, обладая более высокой плотностью, чем силикаты и алюмосиликаты, опускались к центру Земли. Это привело к разделению внутренних слоёв Земли на мантию и металлическое ядро спустя всего 10 миллионов лет после того, как Земля начала формироваться, произведя слоистую структуру Земли и сформировав магнитное поле Земли. Выделение газов из коры и вулканическая активность привели к образованию первичной атмосферы. Конденсация водяного пара, усиленная льдом, занесённым кометами и астероидами, привела к образованию океанов. Земная атмосфера тогда состояла из лёгких атмофильных элементов: водорода и гелия, но содержала значительно больше углекислого газа, чем сейчас, и это уберегло океаны от замерзания, поскольку светимость Солнца тогда не превышала 70% от нынешнего уровня. Примерно 3,5 миллиарда лет назад образовалось магнитное поле Земли, которое предотвратило опустошение атмосферы солнечным ветром. Примерно в это же время на Земле появилась биосфера[18] – живая оболочка Земли. Живые организмы на Земле живут в её биосфере. Биосфера – это совокупность Земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы) и живых организмов. Земля, её оболочки и живые организмы состоят из вещества. Возникновение органической жизни стало результатом непрекращающегося с момента образования Вселенной процесса эволюции вещества. Наше тело состоит из химических элементов, образованных во время трёх ключевых периодов эволюции Космоса: эпохи рекомбинации водорода, звёздного нуклеосинтеза и фазы образования планет. В процентом отношении мы состоим: 65% из кислорода, 18% из углерода, 10% из водорода, 3% из азота, 1,5% из кальция, 1% из фосфора, 0,35% из калия, 0,25% из серы, 0,15% из натрия, 0,05% из магния, а также – 0,70% из меди, свинца, цинка, селена, молибдена, фтора, хлора, йода, марганца и железа (все вместе). За исключением водорода, все остальные элементы являются продуктом звёздного нуклеосинтеза. Весь Космос – звёзды, планеты, яблоки, люди, собаки, автомобили, ваша зубная щётка и даже молоко, которое вы пьёте, состоят из одного и того же вещества. Отличие одних форм от других заключается в разной организации этого вещества. Саган пишет: “Однако сущность жизни заключена не столько в самих атомах и простых молекулах, из которых мы состоим, сколько в способе их взаиморасположения. Время от времени читаешь, что вещества, составляющие человеческое тело, стоят то ли 97 центов, то ли 10 долларов. Такая низкая стоимость наших тел нагоняет уныние. Но эти цены высчитаны для человеческого тела, разложенного на простейшие компоненты. В основном мы состоим из воды, которая не стоит почти ничего; углерод можно оценить по стоимости угля; кальций наших костей – по цене мела; азот, входящий в состав белков, – по цене воздуха (тоже недорого); железо в нашей крови – по цене ржавых гвоздей. Если не знать ничего больше, то можно попробовать свалить все составляющие нас атомы в один большой котел и начать помешивать. Заниматься этим можно сколь угодно долго. Но в конце концов мы получим все ту же смесь атомов. А с чего бы там возникло что-то другое?”
Ключевую роль в появлении биосферы сыграло Солнечное излучение. А. Л. Чижевский, изучавший влияние Солнечных лучей на жизнь земных организмов[19], писал: “В настоящий момент научная мысль всё больше и больше склоняется к признанию той исключительно большой роли в жизнедеятельности биосферы, которую играют радиации Солнца. Эти радиации обусловливают собою большинство проявлений жизнедеятельности биосферы как в целом, так и в деталях. Они активируют живые организмы и подобно скульптору придают им и внешние формы, и формы их влияния вовне. С этой точки зрения живые организмы могут быть рассматриваемы как трансформаторы, переводящие солнечные излучения в тот или иной вид земной энергии: механическую, тепловую, электрическую и т. д.” (“Земное эхо солнечных бурь”).
Солнечное излучение – основной источник энергии на Земле, оно способствовало зарождению жизни и ныне поддерживает её – свет необходим для начальных стадий фотосинтеза. Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов. В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция – совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза. Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы – биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования защитного озонового слоя, позволило органической жизни выйти из морей и существовать на суше. Антропогенез стал частью и очередным этапом эволюции органической жизни. Таким образом, по словам Хоккинга: “Земля – это каменная планета, поглощающая Солнечное излучение и превращающая его в пищу для жизни”. По словам Сагана: “…жизнь на Земле существует почти исключительно благодаря солнечному свету. Растения собирают фотоны и трансформируют солнечную энергию в химическую. Животные паразитируют на растениях. Сельское хозяйство – это просто методичный сбор урожая солнечного света при вынужденном посредничестве растений. Энергия Солнца питает нас, почти всех” (“Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации”).
Учение о биосфере, как об оболочке Земли, населённой живыми организмами, разработал В. И. Вернадский. Он распространил понятие биосферы не только на организмы, но и на среду их обитания. В. И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: “На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом”. Более правильно, поэтому, определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми существами. Таким образом, биосфера – это живые организмы и среда их непосредственного обитания. Живые организмы являются частью биосферы, она их породила, так же как они породили её в результате своей деятельности. Можно считать, что биосфера является продолжением живых организмов за пределы их тел, и это продолжение имеет некоторые естественные границы, за которыми организмы существовать не могут, эти границы являются границами биосферы.
Человек является частью биосферы Земли, это значит, что он является плодом союза Земли и Солнца, результатом синтеза вещества Земли, солнечного излучения и принципа творения. Земля и Солнце являются частью Космоса – самой большой целостности из всех нам известных. Земля и Солнце появились в результате эволюции Космоса, они результат синтеза сил гравитации и вещества, ядерного взаимодействия и принципа творения сущего. Поэтому человек также является частью Космоса, а Космос является средой обитания человека, но в качестве таковой он является средой, в которой человек обитает посредством обитания в биосфере Земли. Здесь следует различить Космос и космос. Космос с большой буквы – это всё сущее, космос с маленькой буквы – это открытое, внеземное пространство в самом прямом значении этого слова, в этом пространстве существуют наше Солнце, Земля, галактика и все другие космические объекты. В открытом космосе без воздуха, земной силы гравитации и защитных оболочек, защищающих тело человека от вакуума и космических лучей, человек жить не может.
Являясь частью биосферы Земли, человек не может жить вне биосферы, как не может длительное время жить без земного тяготения. Человек встроен в биосферу, его тело чувствует все её колебаниях и участвует во всех её вибрациях, реагирует на мельчайшие изменения температуры, давления и газового состава. А. Л. Чижевский так описывал связь между человеком и биосферой: “…физические и химические процессы, происходящие в окружающей среде, вызывают соответствующие изменения в физико-химических, физиологических отправлениях живого организма, отражаясь на его сердечно-сосудистой, его нервной деятельности, на его психике и, наконец, на его поведении. Так, колебания атмосферного давления, степень влажности воздуха, температура, количество солнечного света и т.д. вызывают колебания в состоянии многих функций нашего организма, нашего нервного тонуса, в той или иной степени и, в конце концов, отражаясь на нашем поведении” (“Земное эхо солнечных бурь”).
Человек, также, не может жить вне Земли. Длительное пребывание в невесомости приводит к необратимым патологическим последствиям для человеческого организма, у него происходит стремительное атрофирование мышц в результате того, что мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его. Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности. В кровеносной системе происходит уменьшение объёма циркулирующей крови, появляются трудности с перекачиванием крови в вертикальном положении.
Гибель биосферы неминуемо ведёт к гибели всех её обитателей, в том числе – человека. Неизбежной причиной гибели биосферы станет её продолжающийся нагрев[20]. Устойчивость биосферы Земли к нагреву не беспредельна, и она уже стоит на пороге катастрофы. Биосферная катастрофа – это мгновенное по геологическим меркам вымирание всех или большей части видов живых организмов населяющих планету вследствие резкого ухудшения условий необходимых для их существования. Изменение этих условий будет вызвано увеличением температуры поверхности Земли, нарушающим тепловой баланс Земли[21]. В настоящее время увеличение температуры на Земле имеет антропогенные и космические причины.
К антропогенным причинам относится деятельность человека. Будучи результатом синтеза Земли, Солнца и принципа творения, он наделён всеми качествами своих создателей. Человек не может остановиться в своём развитии, но его развитие связано с производством большого количества разнообразных вещей, в процессе которого происходит выработка энергии, часть которой рассеивается в качестве тепла в биосфере Земли и нагревает её. Также небольшое увеличение антропогенных выбросов в атмосферу углекислого газа уже в ближайшие несколько лет может привести к значительному усилению парникового эффекта[22], в результате которого может значительно повыситься средняя температура поверхности Земли. Рост температуры вызовет выделение части углекислоты из близких к поверхности карбонатных пород, что усилит парниковый эффект, обусловив дальнейший нагрев Земли. Нагреваемые карбонаты будут выделять всё больше углекислого газа и парниковый эффект войдет в разнос.
Парниковый эффект – это повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса. Механизм парникового эффекта заключается в различной прозрачности атмосферы Земли в видимом и инфракрасном диапазоне. Солнечный свет легко проходит сквозь атмосферу и нагревает поверхность Земли, а вот возникшее при этом инфракрасное излучение уже не может так легко пройти сквозь атмосферу обратно в космос. Энергия солнечного света, попавшая на Землю, оказывается в ловушке. Нечто подобное можно наблюдать в парнике или в салоне автомобиля. Солнечный свет нагревает воздух внутри, а стекло не даёт избыточному теплу выйти наружу. Парниковый эффект атмосферы обусловлен наличием в ней так называемых “парниковых газов” – H2O, CO2 , CH4. Эти газы имеют в инфракрасном диапазоне бóльшую оптическую толщину, чем в видимом диапазоне. По этой причине они легко пропускают солнечный свет к поверхности Земли, но не выпускают его обратно. Вследствие такой непрозрачности атмосфера становится хорошим теплоизолятором. В оптимальном количестве парниковый эффект приносит планете только пользу. Если бы не он, на нашей планете не было бы жизни, так как средняя температура поверхности земного шара была бы значительно ниже, чем сейчас (примерно минус 100С). Но при повышении концентрации парниковых газов увеличивается непроницаемость атмосферы для инфракрасных лучей, поэтому повышается температура Земли. Именно это и приводит к вредному изменению климата – тают ледники, изменяется уровень моря, что ведёт к затоплению целых островов и прибрежной территории, возникает угроза для экосистем, биоразнообразия и здоровья человека. По мнению экологов, при существующем уровне производства, полностью предотвратить прогнозируемые изменения климата человечеству вряд ли удастся. Один из способов смягчить климатические изменения – повысить эффективность потребления энергии и снизить выбросы парниковых газов. В крайнем случае, если человечество не изобретёт эффективных энергосберегающих технологий, оно может пойти на серьёзное уменьшение количества потребления, например, за счёт сокращения числа потребителей (до 1,5-0,5 миллиардов человек, не снижая современный уровень потребления), что приведёт к сокращению потребления и производства, и теплового загрязнения биосферы, поэтому, в принципе, антропогенные причины не кажутся нам столь серьёзными, как космические, ибо последние не поддаются регуляции силой человеческого разума и воли.
Рисунок 12. Парниковый эффект.
Космическими причинами, ведущими к биогенной катастрофе вследствие нагрева биосферы, являются происходящие одновременно рост температуры солнечного излучения вследствие эволюции нашего Солнца и увеличение длительности суток из-за замедления вращения Земли вокруг своей оси. Следствием Солнечной эволюции является линейный рост температуры Солнечного излучения на 1% каждые 110 миллионов лет, что приводит к непрерывному росту температуры поверхности Земли, а замедление вращения Земли вокруг своей оси увеличивает суточное время нагрева обращённой к Солнцу стороны Земли. По современным представлениям, мы не можем остановить или изменить ход Солнечной эволюции. Таким образом, гибель земной биосферы запрограммирована ходом эволюции Солнца. Эта по-настоящему космическая причина своей неумолимой неизбежностью перекрывает антропогенные причины наступающей биосферной катастрофы.
по материалам http://grani.agni-age.net/index.htm?article=6135&issue=61
