Член-корреспондент НАН Украины профессор доктор физико-математических наук К

Член-корреспондент НАН Украины, профессор, доктор физико-математических наук К. И. Чурюмов

• Геодинамика — раздел науки о Земле, занимающийся определением и физическим объяснением изменений во времени взаимного положения точек земной поверхности и элементов гравитационного поля нашей планеты. Геодинамика близко соприкасается с астрономией, геодезией, геофизикой, океанологией. • Впервые термином «геодинамика» воспользовался итальянский астроном Дж. Скиапарелли в лекциях, прочитанных им в Петербургской академии наук в 1859 г. В 1911 г. появилась монография английского геофизика А. Лява «Некоторые проблемы геодинамики» . При различных гипотезах о механических свойствах Земли в ней рассматривались такие явления, как приливные деформации Земли, ее собственные колебания и др.

• Уже основатели геофизики У. Кельвин и Дж. Дарвин указывали на существование ряда сложных научных проблем, связанных с тем, что под действием притяжения Луны и Солнца изменяются форма и гравитационный потенциал Земли. • В начале XX в. астрономические наблюдения привели к открытию изменяемости широт и долгот. Она объяснялась сложным внутренним строением Земли и перемещением масс как внутри нашей планеты, так и на ее поверхности (перемещения воздушных масс, тектонические движения, землетрясения и др. ). В 50 -х гг. XX в. благодаря применению в астрономических наблюдениях кварцевых, а затем атомных часов ученые установили неравномерность вращения Земли.

• Так благодаря теоретическим исследованиям и наблюдениям с использованием все более и более точных измерительных приборов был открыт ряд геодинамических явлений. Но для того чтобы учитывать на практике эффекты, обусловленные этими явлениями, и таким образом повышать точность геофизических, астрономических, геодезических работ, нужно было сделать некоторые допущения о геометрической форме Земли, о распределении масс в ее теле, о ее жесткости и др. , т. е. нужно принять, как говорят ученые, ту или иную модель Земли.

• Считая Землю твердым телом, вращающимся с постоянной угловой скоростью вокруг оси, фиксированной относительно Земли и проходящей через центр ее масс, можно построить прямоугольную систему координат с началом в центре масс и одной из осей, направленной вдоль оси вращения Земли. Фигура Земли, ее гравитационное поле и все построения в такой системе координат со временем не меняются. Если при определении положения точек на Земле за единицу измерений принять ее средний радиус, при определении силы тяжести — ее среднее значение на поверхности Земли, а при определении направлений — один радиан, то описанная модель обеспечит точность измерений порядка 10 -6.

• С развитием современной техники абсолютных измерений силы тяжести, новых нетрадиционных средств изучения фигуры и гравитационного поля Земли (лазерная локация искусственных спутников Земли, доплеровские наблюдения спутников, радиоинтерферометрические наблюдения внегалактических радиоисточников), при достаточно частых повторных измерениях точность определения абсолютных положений точек повысилась до 10 -8— 10 -9. На таком уровне точности появилась возможность усовершенствовать модель Земли и определять изменения положений точек земной поверхности и элементов гравитационного поля во времени.

• При точности измерений 10 -8— 10 -9 в течение года могут быть зарегистрированы геодинамические эффекты, не превышающие нескольких сантиметров, нескольких микрогал и нескольких тысячных долей угловой секунды. Стало возможным зарегистрировать движение литосферных плит, изменение формы геоида, вариации гравитационного поля Земли, изменение положения центра масс Земли и ее осей инерции. Геодинамика продолжает заниматься также явлениями ранее изученными: движением полюсов Земли, приливными деформациями и неравномерностью вращения Земли и др. Наибольшую амплитуду изменений • (3· 10 -6 от радиуса Земли) имеет движение полюса, т. е. перемещение в теле Земли оси ее вращения.

• Эра космоса поставила вопрос о создании общеземной системы координат. Однако определить такую координатную систему крайне трудно, так как все элементарные объемы Земли находятся в постоянном движении относительно друга. Практическая задача геодинамики — определить и учесть эти движения, вычислить соответствующие поправки, чтобы обеспечить возможность представления наблюдений в рамках описанной выше простейшей модели твердой Земли. • Для решения геодинамических задач осуществляются запуски специальных астрометри-ческих ИСЗ, организуются международные программы научных исследований.

• ВОЗНИКНОВЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ • Познание Вселенной — цель разумной деятельности человека • Вселенная. . . Под этим словом подразумевается все окружающее людей, а также и сам человек. Даже в наше время ученые слишком мало знают о том, что представляет собой вся Вселенная, как она устроена, по каким законам живет и всегда ли была такой. Астрономы говорят сейчас о наблюдаемой части Вселенной, подразумевая под этим окружающее нашу планету космическое пространство и все, что туда входит: планеты Солнечной системы, далекие и близкие звезды, звездные скопления, межзвездную материю, галактики.

• Каким представляли мир в древности. Представления о Вселенной древних людей, которых ученые называют «доисторическими» , были вынужденно наивны и, главное, мифологичны. Ведь только мифологическое мышление помогает составить объяснимую картину явления, о котором у человека нет достаточных сведений и знаний. Мифы всех народов мира рассказывают об одновременном создании Вселенной и человека, о единстве природы ( «макрокосм» ) и человека ( «микрокосм» ). У многих известных древнейших цивилизаций существовали предания, в которых сейчас можно заметить поразительное сходство в описаниях происхождения и устройства мира: сначала или не было ничего, или было нечто, чего нельзя объяснить. В более близких к нашему времени цивилизациях появляется понятие Хаоса.

• Вот как описан Хаос в трех древнейших первоисточниках: Ведах, древнегреческих мифах и Библии. • Мрак был сокрыт мраком вначале. • Неразличимая пучина — все это. • В этой пучине (Хаосе) дышало, • не колебля воздуха, • Единое Нечто и не было ничего другого, кроме него. • (Ригведа, Мандала X)

• А вот описания древнегреческих авторов, классические мифы: • Перво-наперво возник Хаос (Бездна), а затем Широкогрудая Гея (Земля). . . И Тартар туманный в недрах Земли. . . Из Хаоса родились Эреб (Мрак) и черная Ночь. . . • (Гесиод, «Теогония» )

Туманность Трехраздельная (Триффид), в которой рождаются мириады сияющих светил.

• Наши предки учились не только постигать закономерности движения Солнца, но и использовать их. Об этом свидетельствуют древние памятники, встречающиеся достаточно часто. Это так называемые «мегалиты» — «огромные камни» (от греч. «мега» — «большой» , «огромный» и «литое» — «камень» ) — вертикально установленные необработанные или полуобработанные каменные глыбы. Они служили одновременно и первыми часами, и первым компасом. Мегалиты распространены на нашей планете повсеместно: в Западной Европе, в Северной Африке, на Кавказе. С давних времен считалось, что эти культовые сооружения предназначались для совершения таинственных религиозных обрядов. Позднее ученые высказали мнение, что они могли быть возведены и с астрономическими целями — для наблюдений Солнца, Луны, звезд и использования полученных знаний в повседневной практической деятельности. ■

Известная древнейшая обсерватория-святилище Стоунхендж.

• Гигантское сооружение Стоунхендж - каменная загадка в самом центре Европы , как назвал этот удивительный монумент один из исследователей доктор Умлмор Тревер. Это древнее сооружение расположенное в Англии, Сейчас археологи сошлись во мнении, что этот архитектурный памятник возведен в три этапа между 3500 и 1100 гг. до н. э. Стоунхендж I представлял собой кольцевой ров с двумя залами и, возможно, служил кладбищем. По кругу вдоль наружного вала расположены 56 маленьких погребальных «лунок Обри» , названных так в честь Джона Обри, который первым описал их в XVII столетии. К северо-востоку от входа в кольцо стоял громадный, семиметровый Пяточный камень. При строительстве Стоунхенджа II была проложена земляная аллея между Пяточным камнем и входом. Были возведены два кольца из 80 огромных каменных глыб голубого цвета, которые, вероятно, доставлялись за 320 км из Южного Уэльса. На заключительном этапе строительства была произведена перестановка мегалитов. Голубые камни заменили кольцевой колоннадой из 30 трилитов, каждый из которых состоял из двух вертикальных камней и опиравшуюся на них горизонтальную плиту. Внутри кольца была установлена подкова из пяти отдельно стоящих трилитов.

• В целом Стоунхендж представляет собой сооружение из 82 пятитонных мегалитов, 30 каменных блоков, весом по 25 тонн и 5 огромных так называемых трилитов, камней, вес которых достигает 50 тонн. Сложенные каменные блоки образуют арки, которые служили когда-то безупречным указателем сторон света. До недавнего времени ученые предполагали, что этот монумент сооружен в 3100 году до нашей эры жившими на Британских островах племенами для наблюдения за Солнцем и Луной. Но последние данные современной науки заставляют пересмотреть многие выводы исследователей. • Еще в 20 -х годах минувшего века известный геолог X. Томас установил. что камни для возведения комплекса доставлялись из каменоломен. которые находились более чем за 300 километров от места строительства. Не нужно говорить, что транспортировка гигантских каменных блоков требовала невероятных усилий. В конце 1994 года профессор Уэльского университета Дэвид Боуэн с помощью новейшего метода определил возраст Стоунхенджа. Оказалось, что он составляет 140 000 лет. Зачем же древним людям понадобилось прилагать огромные усилия на вырубку, сложнейшую транспортировку, обработку прочнейших глыб и их невероятную по точности установку в строгом порядке? Ответа на этот вопрос пока нет.

• Известный астроном Фред Хойл. изучив все геометрические особенности Стоунхенджа, определил, что создатели этого сооружения знали точный орбитальный период Луны и продолжительность солнечного года. По выводам других исследователей, лунки, находящиеся внутри круга, образуемого каменными блоками, в точности обозначают траекторию Полюса мира 12 -30 тысяч лет назад! В 1998 году ученые-астрономы воссоздали с помощью компьютера первоначальный вид Стоунхенджа и провели различные исследование Их выводы явились для многих шокирующими. Оказывается, этот древний монолит является не только солнечным и лунным календарем, как предполагалось ранее, но и представляет собой точную модель солнечной системы в поперечном разрезе. Согласно этой модели, солнечная система состоит не из восьми, а из двенадцати планет, две из которых находятся за орбитой Плутона (правда, последний уже не входит в число известных на сегодняшний день восьми планет) , а еще одна - между орбитой Марса и Юпитера, где сейчас располагается пояс астероидов. В принципе, эта модель подтверждает предположения современной астрономической науки и полностью согласуется с представлениями многих древних народов, которые также полагали, что число планет в нашей солнечной системе равно двенадцати.

• Особенностью всех древних мегалитов, является их необычайно высокая сейсмостойкость. Исследования показали, что при их строительстве использовались специальные платформы, смягчающие или полностью гасящие подземные толчки. На таких платформах воздвигнуто большинство всех древних сооружений. Помимо этого, такие фундаменты практически не дают «усадки почвы» , которая неизбежно происходит при современном строительстве.

• БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ. РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ. • Область астрономии, которая изучает и моделирует Вселенную как целое, называется космологией. Именно космологи определяют и объясняют, что представляет собой Вселенная, изменяется ли она со временем и если да, то каковы были ее свойства в прошлом. • Изменялся ли наш мир? В 1916 г. немецкий ученый Альберт Эйнштейн (1879— 1955) разработал теорию относительности, которую сразу же начал применять для создания космологической модели Вселенной. Со времен Аристотеля считалось, что наша Вселенная стационарна, т. е. с течением времени она не только не меняется в общих чертах, но в ней не происходит каких -либо крупномасштабных движений. Вселенная — согласно теории относительности — отнюдь не стационарна. Она либо расширяется, либо сжимается!

• В варианте Эйнштейна Вселенная получилась конечной и замкнутой — нечто аналогичное поверхности шара. Ее пространство искривлено, и луч света, идущий в одном направлении, через определенный промежуток времени должен вернуться в исходную точку, но с противоположной стороны. Одним из тех, кто иначе взглянул на подобную неизменную модель Мироздания, стал российский метеоролог, математик по образованию, Александр Фридман (1888— 1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: действительно, Вселенная должна изменяться. • Впрочем, все эти рассуждения о якобы расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями.

• Честь стать первооткрывателем в этой области принадлежит американскому астроному Эдвину Хабблу (1889— 1953). На основе многочисленных наблюдений он в 1929 г. установил, что Вселенная в целом расширяется — галактики и их скопления удаляются друг от друга и от нашей Галактики с огромной скоростью. Причем «разбегание» становится тем быстрее, чем больше оказываются расстояния между звездными «материками» . С течением времени размеры Вселенной непрерывно возрастают. "Ученые произвели необходимые расчеты и определили, что возраст Вселенной равен 13. 7 млрд лет. • Открытие Хаббла положило начало новым представлениям о Вселенной — ее глобальная эволюция была доказана теоретически и практически. ■ • Теория большого взрыва. Величайшим достижением современной космологии стала модель расширяющейся Вселенной, названная теорией Большого взрыва. • Все вещество в Космосе в какой-то начальный момент было сдавлено буквально в ничто — спрессовано в однуединственную точку.

• Оно имело фантастически огромную плотность — ее практически невозможно себе представить, она выражается числом, в котором после единицы стоят 96 нулей, — и столь же невообразимо высокую температуру. Астрономы назвали такое состояние сингулярностью. • В силу каких-то причин это удивительное равновесие было внезапно разрушено действием гравитационных сил — трудно даже вообразить, какими они должны были быть при бесконечно огромной плотности «первовещества» ! Этому моменту ученые дали название «Большой взрыв» . Вселенная начала расширяться и остывать.

• Следует отметить, что вопрос о том, каким же было рождение Вселенной — «горячим» или «холодным» , — не сразу был решен однозначно и занимал умы астрономов долгое время. Интерес к проблеме был далеко не праздным — ведь от физического состояния вещества в начальный момент зависит, например, возраст Вселенной. • Кроме того, при высоких температурах могут протекать термоядерные реакции. Следовательно, химический состав «горячей» Вселенной должен отличаться от состава «холодной» . А от этого в свою очередь зависят размеры и темпы развития небесных тел. . .

• Реликтовое излучение. Современная астрономия на вопрос о том, существуют ли доказательства гипотезы горячей Вселенной и Большого взрыва, может дать утвердительный ответ. В 1965 г. было сделано открытие, которое, как считают ученые, прямо подтверждает то, что в прошлом вещество Вселенной было очень плотным и горячим. Оказалось, что в космическом пространстве встречаются электромагнитные волны, которые родились в ту далекую эпоху, когда не было еще ни звезд, ни галактик, ни нашей Солнечной системы. • Возможность существования такого излучения была предсказана астрономами гораздо раньше. В середине 1940 -х гг. американский физик Джордж Гамов (1904— 1968) занялся проблемами возникновения Вселенной и происхождения химических элементов. Расчеты, выполненные Гамовым и его учениками, позволили представить, что во Вселенной в первые секунды ее существования была очень высокая температура. Нагретое вещество «светилось» — испускало электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабеньких радиоволн, и даже предсказал температуру этого излучения — примерно 5— 6 К. В 1965 г. американские ученые-радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Астрономы пришли к выводу, что это излучение, имеющее температуру около 3 К, — реликт (от лат. «остаток» , отсюда и название излучения — «реликтовое» ) тех далеких времен, когда Вселенная была фантастически горяча.

Солнечная система • • Солнечная система называется так потому, что ее центром является звезда Солнце, вокруг которой обращаются все остальные тела этой системы. Это — большие планеты и их спутники. Кроме них вокруг Солнца обращаются так называемые малые планеты (астероиды), кометы, метеорные потоки и отдельные метеороидные тела, а также межпланетный газ. Основная сила, удерживающая систему в том стабильном состоянии, в котором она пребывает сейчас, — это сила гравитационного взаимодействия. Согласно закону гравитации все тела притягивают друга. И сила этого притяжения зависит от их масс. Солнце по массе намного превосходит остальные тела системы (оно примерно в 750 раз массивнее всех тел Солнечной системы, вместе взятых, и даже самая «тяжелая» планета Юпитер уступает ему в 1050 раз). Поэтому сила гравитационного взаимодействия «привязывает» все тела к центральному, заставляя их совершать единственно возможные движения — по круговым или близким к ним орбитам. Истинные масштабы Солнечной системы не идут ни в какое сравнение с привычными расстояниями на Земле. Например, в промежутке от Солнца до орбиты Плутона радиус Земли уложился бы примерно 90 тысяч раз! Солнечная система — это система не только населяющих ее тел, но и движений. Каждое входящее сюда тело, будь то планета или мельчайшая частица пыли или газа, движется по пути, называемому орбитой (как правило, она либо круговая, либо слегка вытянутая, эллиптическая). Такие орбиты — замкнутые, и тела, которые их имеют, периодически повторяют свой путь в пространстве. К таковым принадлежат все большие и малые планеты.

Сравнение планет и карликовых планет Солнечной системы Имя Экваториальный диаметр Масса Орбитальный радиус Период обращения Наклонение к Солнечному экватору (°) Эксцентриситет Период вращения (дней) Спутники[c] Кольца Атмосфера Земная группа Меркурий 0, 382 0, 06 0, 39 0, 24 3, 38 0, 206 58, 64 нет минимальна Венера 0, 949 0, 82 0, 72 0, 62 3, 86 0, 007 − 243, 02 0 нет CO 2, N 2 Земля 1, 00 7, 25 0, 017 1, 00 1 нет N 2, O 2 Марс 0, 532 0, 11 1, 52 1, 88 5, 65 0, 093 1, 03 2 нет CO 2, N 2 Газовые гиганты Юпитер 11, 209 317, 8 5, 20 11, 86 6, 09 0, 048 0, 41 65 да H 2, He Сатурн 9, 449 95, 2 9, 54 29, 46 5, 51 0, 054 0, 43 62 H 2, He Уран 4, 007 14, 6 19, 22 84, 01 6, 48 0, 047 − 0, 72 27 H 2, He Нептун 3, 883 17, 2 30, 06 164, 8 6, 43 0, 009 0, 67 13 H 2, He 0 да да да

Карликовые планеты Церера 0, 08 0, 000 2 2, 5— 3, 0 4, 60 10, 59 нет Плутон 0, 19 0, 002 2 29, 7— 49, 3 248, 09 нет временная Хаумеа 0, 37× 0, 16 0, 000 7 35, 2— 51, 5 2 Макемаке ~0, 12 0, 000 7 38, 5— 53, 1 0 ? ? Эрида 0, 19 0, 002 5 37, 8— 97, 6 ~557 ? ? 0, 080 0, 38 0 нет 17, 14 0, 249 − 6, 39 4 282, 76 28, 19 0, 189 0, 16 309, 88 28, 96 0, 159 ? 44, 19 ~0, 3 1 0, 442

• Происхождение солнечной системы • Решение вопроса о происхождении солнечной системы встречает основную трудность в том, что другие подобные системы в других стадиях развития мы не наблюдаем. Нашу солнечную систему не с чем сравнивать. • Правда, около некоторых ближайших звезд, повидимому, существуют планеты, ибо эти звезды обнаруживают еле заметные периодические обращения около некоторого центра масс. Их невидимый спутник имеет очень малую массу и является, очевидно, планетой или группой планет. Но больше этого пока ничего сказать нельзя. Однако это явление важно в том отношении, что говорит против исключительности солнечной системы и Земли в пространстве. Системы, подобные нашей солнечной системе, должны быть достаточно распространены, и их возникновение должно быть не делом случая, а закономерным явлением.

• Исторически для развития материалистического мировоззрения огромную роль играли первые научные предположения о происхождении солнечной системы. Первой была гипотеза немецкого философа Канта. В середине XVIII в. он изложил идею о возникновении солнечной системы из облака холодных пылинок, находящихся в хаотическом движении. В 1796 г. французский ученый Лаплас подробно описал гипотезу образования Солнца и планет из уже вращающейся газовой туманности. • Лаплас учел основные характерные черты солнечной системы, которые должна объяснить всякая гипотеза о ее происхождении: основная масса системы сосредоточена в Солнце; орбиты планет и спутников почти круговые и лежат почти в одной плоскости; расстояния между ними правильно возрастают; почти все планеты не только обращаются вокруг Солнца, но и вращаются вокруг своих осей в одном направлении. • Позднейшее развитие науки добавило необходимость объяснить распределение момента количества движения в солнечной системе.

• Момент количества движения Солнца слишком мал в сравнении с суммарным моментом количества движения планет. Это было наиболее серьезное среди возражений против гипотезы Лапласа. В настоящее время все ученые пришли к выводу о том, что Земляникогда не была ни газовой, ни огненно-жидкой, а возникла из холодной газопылевой массы. • По этой гипотезе, огромное холодное газопылевое облако, вращающееся вокруг Солнца, должно было сплющиваться. Это вызывалось столкновением частиц и обменом их энергией и количеством движения, что вело к распределению частиц по скоростям и по направлениям так, чтобы столкновения были возможно реже. Так, пыль распределилась в виде диска, имеющего толщину, в тысячу раз меньшую его диаметра. Орбиты частиц стали круговыми с движениями в одном направлении. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие. Быстрее всего росла масса крупнейших частиц. Так возникло несколько крупных тел — планет. Земля выросла до ее современной массы по расчетам за несколько сот миллионов лет. Земля, холодная на поверхности, стала разогреваться за счет радиоактивных элементов. Это привело к расплавлению земных. недр. Тяжелые элементы продиффундировали ВНИЗ, образовав ядро, а легкие образовали кору. В окружавшем зародыши планет рое частиц повторялся процесс слипания частиц и возникли спутники планет. Удары падающих на планеты тел привели планеты во вращение. В частях газо-пылевого диска, удаленных от Солнца, царила низкая температура и водород при формировании больших планет не улетучился. Сильный нагрев облака вблизи Солнца ускорял рассеяние водорода, и в планетах земной группы его почти не сохранилось. Наибольшую трудность представляет объяснение того, как первоначальное газопылевое облако могло окружить Солнце и получить момент вращения, имеющийся сейчас у планет.

• Английский ученый Хойл разработал гипотезу, по которой Солнце при рождении было сгустком в газопылевой туманности, содержавшей магнитное поле. Тогда при некоторых условиях момент количества движения быстро вращавшегося Солнца уменьшился из-за тормозящего действия магнитного поля, а у вещества диска увеличился и сохранился у планет. Солнце стало вращаться медленно. • В настоящее время мы не можем еще даже приблизительно оценить, у какого количества звезд есть планеты, на скольких из них могла зародиться жизнь. На скольких она успела воспроизвести разумные существа и технику, допускающую возможность обмена по радио информацией с другими цивилизациями? Как часто в космосе встречаются цивилизации, способные на это одновременно с нами? Что в Галактике таких цивилизаций много, это несомненно при самых скупых подсчетах. Но чтобы такая цивилизация оказалась достаточно близкой к нам, чтобы имело смысл «разговаривать» с нею, это дело случая. Ведь радиосигналы между близкими звездами будут идти не менее чем десятки лет и столько же лет будет проходить до ответа. Быстрое развитие науки и техники скоро сделает эту проблему более ясной.

• Отправная точка всех рассуждений о пути формирования планет — газопылевой (протопланетный) диск вокруг формирующейся звезды. Сценариев, как из него получились планеты, существует два типа: • Доминирующий на данный момент — аккреционный. Предполагает формирования из первоначальных планетозималей. • Второй полагает, что планеты сформировались из первоначальных «сгущений» , впоследствии сколлапсировавших. • Окончательно формирование планеты прекращается, когда в молодой звезде зажигаются ядерные реакции и она рассеивает протопланетный диск, за счет давления солнечного ветра, эффекта Пойнтинга — Робертсона и прочих.