Четыре столетия напряженного труда ученых — астрономов, математиков, физиков, выполнивших тончайшие наблюдения, глубокие теоретические исследования, понадобилось, чтобы выяснить особенности планетной системы и в какой-то мере природу ближайших к Земле планетных тел.
Мы видим нашу Землю среди девяти больших планет, обращающихся вокруг Солнца. Они находятся по расстоянию от Солнца в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Первые пять были известны с глубочайшей древности. Уран «случайно» открыл Гершель в 1781 г. Существование Нептуна было обнаружено в 1846 г., (а до этого теоретически предсказано). В 1930 г. был открыт и Плутон вблизи от теоретически рассчитанного места.
Пути планет отклоняются от окружностей — это немного вытянутые эллиптические кривые. Движение планет происходит по законам Кеплера — быстрее вблизи перигелия — самой близкой к Солнцу точки орбиты, медленнее — вблизи афелия. Периоды обращения зависят от средних расстояний — от полуоси орбиты: Р = а3/2 . Астрономы измеряют расстояния в солнечной системе в астрономических единицах. Астрономической единицей считается среднее расстояние Земли от Солнца. Оно равно 149,6 млн. км.
Измерены размеры планет, определены их массы. Для некоторых планет установлено, как они вращаются вокруг своих осей. В таблице 1 приводятся некоторые важные сведения о планетах и отдельных спутниках.
Земля, таким образом, действительно средняя планета и по положению относительно Солнца и по своим размерам. Венера, например, имеет лишь немного меньшие размеры. Вращение Марса вокруг оси очень похоже на вращение Земли; оно определяет смену сезонов года и положение климатических поясов на земной поверхности. Юпитер — планета-гигант. Он в 11 раз больше Земли по перечнику и в 318 раз больше по массе. Любопытную аномалию представляет далекий Плутон, который со времени открытия не прошел и одной восьмой части своей орбиты вокруг Солнца. Плутон почти такого же размера, как Меркурий, и многие астрономы считают его телом, вырвавшимся после какой-то катастрофы из системы Нептуна.
Интересна проблема спутников планет. До сих пор открыт 31 спутник. Семь из них имеют большие размеры. Такие спутники — Луна или Ганимед (у Юпитера) или Титан (у Сатурна). Они почти достигают размеров Меркурия и лишь немного меньше Плутона или Марса. Остальные спутники малы. Их поперечники измеряются лишь сотнями, десятками или даже несколькими километрами.
Сатурн окружен многими маленькими спутниками и массами газа и льда, вместе образующими кольцо, видимое вокруг планеты даже в небольшие телескопы. По-видимому, подобное же кольцо, только гораздо более слабое, имеется и у Юпитера.
Множество космических глыб и камней составляет семью астероидов и метеорных тел. Астрономам известно уже более 1600 малых планет и бесчисленное количество камней, которые, часто встречаясь с Землей, выпадают на ее поверхность в виде метеоритов. Пролетая с космической скоростью в десятки километров в секунду через земную атмосферу, они образуют явления болидов и метеоров. Изучая эти явления, исследуя метеориты в лабораториях, ученые устанавливают природу и происхождение многочисленных малых тел, «засоряющих» межпланетное пространство. Число их очень велико, а общая масса приближается, по-видимому, к массе Земли. Все малые планеты и многие метеорные тела движутся по эллиптическим орбитам и принадлежат солнечной системе.
Еще больше в солнечной системе комет, движущихся как по коротко периодическим, так и по очень вытянутым орбитам. 30 млн. лет требуется, чтобы комета могла достигнуть пределов солнечной системы (границы сферы действия Солнца), т. е. пройти 150 000 астрономических единиц и вернуться вновь к Солнцу. Туманные головы и хвосты комет состоят из газа и пыли, образующихся в результате испарения «загрязненных» льдов, находящихся в ядрах комет. Кометы — сравнительно недавно образовавшиеся тела, сохраняющие еще большое количество замороженных газов.
Солнце управляет благодаря силе своего притяжения движением планет и комет, космических глыб и бесконечного числа пылинок — метеорных частиц. Оно оказывает и другие воздействия на планеты и малые тела солнечной системы.
Солнце — звезда, подобная «миллиардам звезд, сияющих на ночном небе.
Определив расстояние до Солнца, астрономы убедились, что его размеры действительно колоссальны. Хотя на небе видимый поперечник Солнца равен лунному или даже немного меньше, расстояние до Солнца (149,6 млн. км, или 1 астрономическая единица) в 400 раз превышает расстояние Луны от Земли; следовательно, во столько же раз Солнце должно быть больше Луны. Если лунный диаметр равен 3,5 тыс. км, значит, размеры Солнца — 1400 тыс. км, в 109 раз больше, чем у Земли.
Измеряя количество энергии, идущее от Солнца, и силу его света, ученые нашли температуру его поверхности, достигающую 6000°, и убедились, что Солнце — это гигантский раскаленный газовый шар, по массе (т. е. количеству вещества) в 330 000 раз превосходящий Землю и почти в 7/Ю раз совокупную массу всех больших планет.
Солнце играет решающую роль во всех процессах на Земле, и поэтому его исследование имеет не только теоретическое, но и громадное практическое значение.
Создана непрерывная служба Солнца, которая с помощью оптических солнечных телескопов, а также радиотелескопов проводит наблюдения процессов на солнечной поверхности. Ведутся регистрация и изучение солнечных пятен — гигантских электромагнитных вихрей в солнечной атмосфере. Размеры их превышают иногда десятки и сотни тысяч километров; напряженность магнитных полей в пятнах, которые научились измерять астрономы, нередко превышает тысячи гаусс (Гаусс — единица напряженности магнитного поля). Над яркой поверхностью Солнца — фотосферой — расположены слои более разреженных, раскаленных газов хромосферы. Они часто вздымаются с поверхности в виде протуберанцев на высоту в сотни тысяч километров. В хромосфере и еще в более верхних частях атмосферы Солнца — солнечной короне, четко видимой во время полных солнечных затмений, разыгрываются грандиозные вихри и бури.
Эти процессы управляются могучими электромагнитными силами, возникающими в ионизованном солнечном веществе — в солнечной плазме.
Лучи солнечной короны являются потоками солнечного вещества — корпускулярными потоками, состоящими главным образом из ядер атомов (в основном из ядер атомов водорода — протонов) и электронов.
С особым вниманием изучаются взрывы на Солнце, приводящие к вспышкам, ультрафиолетового и рентгеновского излучения, к выбросу солнечных корпускул и громадного количества жестких космических частиц. Около 30 лет назад ученые обнаружили, что Солнце является источником радиоволн. Теперь на многих обсерваториях мира специальные радиотелескопы непрерывно следят за Солнцем и регистрируют его излучение на метровых, сантиметровых и миллиметровых волнах. Полученные данные в виде записей раскрывают картину могучих процессов, разыгрывающихся на солнечной поверхности. Когда в районах пятен происходят гигантские взрывы, астрономы по всплескам радиоизлучения могут определить скорости солнечного вещества, достигающие десятков и даже сотен тысяч километров в секунду. Со скоростью, близкой к скорости света, мчатся частицы космических лучей. Возникающие при солнечных взрывах быстрые космические частицы пронизывают межпланетное пространство.
Первопричиной солнечного излучения и всех процессов на Солнце, по-видимому, является атомная (термоядерная) энергия, вырабатываемая внутри Солнца. При температуре 13—20 млн. градусов в недрах Солнца водород преобразуется в гелий и при этом освобождается часть внутриатомной энергии. Ее оказывается достаточно, чтобы поддерживать высокую температуру звезд в течение миллионов и миллиардов лет.
Астрономы и физики напряженно работают, чтобы разгадать природу солнечных вспышек. Некоторые исследователи полагают, что при движении заряженного солнечного вещества (ионизованного газа) в магнитном поле может происходить сжатие потоков, приводящее к взрывам. Академик В. А. Амбарцумян допускает, что взрывы происходят в результате выхода на поверхность Солнца вещества центральных областей, находящегося в сверхплотном «дозвездном» состоянии. Переход из сверхплотного состояния в состояние обычного разреженного, нагретого газа должен приводить к взрывам. У некоторых звезд эти взрывы приобретают масштабы грандиозных космических катастроф.
Не выясняя природу солнечных процессов, нельзя понять и особенностей Земли, поскольку Солнце играет решающую роль в жизни Земли и других ближайших к нам планет. Солнце излучает гигантское количество света, тепла, радиоволн, заряженных частиц. За секунду Солнце растрачивает энергию, достигающую сотни миллиардов миллиардов киловатт, т. е. в тысячу с лишним раз большую того, что можно было бы получить, сжигая все запасы каменного угля, какие есть на Земле. Из этой энергии Земля получает лишь одну двухмиллиардную, часть, но и это составляет десятки тысяч миллионов киловатт.
Жизнь растений и животных поддерживается и развивается за счет энергии Солнца. Вместе с тем процессы солнечной активности — ультрафиолетовое излучение Солнца, корпускулярные потоки, вырывающиеся с солнечной поверхности, — определяют многие особенности явлений на Земле. От них зависит состояние радиационных поясов вокруг Земли и колебания земного магнитного поля. Потоки жесткого ультрафиолетового излучения и заряженные частички ионизуют верхние слои нашей атмосферы и определяют условия распространения радиоволн, условия радиосвязи на земной поверхности.
Возбуждение в верхней атмосфере (ионосфере) передается в нижние слои, в тропосферу, где разыгрываются все явления погоды.
Гигантский круговорот воды, вызываемый солнечной энергией — испарение вод океанов и перенос водяного пара и капелек воды ветрами, — зависит в некоторой мере от ритма солнечной деятельности. Вот почему 11-летний цикл солнечной активности сказывается на росте деревьев и растений. Однако выяснены далеко еще не все стороны этой связи между солнечными процессами и явлениями на Земле. И не только астрономы, но и геофизики, специалисты по атмосфере и гидросфере, по льдам, земным токам и другим явлениям, а также биологи, физики, радиофизики и исследователи космического пространства интенсивно изучают все проявления солнечных воздействий.