5. Земля

Наша Земля кажется нам такой большой и такой прочной; мы настолько сжились с ней, что склонны забывать, какое незначительное положение она занимает в солнечной семье планет. Правда, Земля окружена довольно толстым слоем атмосферы, под которой находится тонкий, неоднородный слой воды; кроме того, Земля обладает прекрасным спутником, диаметр которого равен примерно 1/4 диаметра самой Земли. Если смотреть с какого-либо подходящего наблюдательного пункта в пространстве, например с Венеры, эта пара безусловно представляет захватывающее зрелище (рис. 35). Перечисленные свойства Земли вряд ли могут способствовать росту нашего космического самомнения. Однако, как ни мала Земля с астрономической точки зрения, она является наиболее доступной нам планетой и потому заслуживает тщательного изучения.

Рис. 35. Земля и Луна. Воображаемый вид в телескоп с Венеры. Обратите внимание на отражение Солнца в Атлантическом океане. Орбита Луны должна быть продолжена с каждой стороны на расстояние, в десять раз превышающее длину орбитальных линий

К сожалению, в пространстве не существует больших зеркал, которые дали бы нам возможность увидеть себя со стороны, как мог бы нас видеть посторонний наблюдатель. Существует, однако, одно, правда весьма слабое, подобие зеркала в пространстве - тёмная сторона Луны в новолуние. В этой фазе Луна находится почти на одной прямой с Солнцем, и свет, отражённый от Земли, падает на тёмное полушарие Луны, не освещаемое никаким другим источником света (рис. 36). Измерения света Земли, падающего на Луну, показали, что Земля хорошо отражает свет, как и все другие планеты, окружённые атмосферой. Поэтому, если смотреть на Землю откуда-либо из внешнего пространства, она должна казаться яркой планетой, почти такой-же яркой, как Венера.

Рис. 36. Земля освещает Луну. Вблизи новолуния Луна светит отражённым светом Земли

Нельзя с уверенностью сказать, что внешний по отношению к Земле наблюдатель различит на ней континенты, но с течением времени, тщательно отмечая положения всех деталей поверхности, он безусловно обнаружит, что огромные облака движутся и изменяются, в то время как некоторые детали остаются неизменными. Таким образом он будет в состоянии начертить довольно хорошую карту земной поверхности. С другой стороны, некоторые области, характеризующиеся почти постоянной облачностью, он может ошибочно принять за особого рода яркие неподвижные пятна. Полярные шапки будут хорошо видны; легко можно будет заметить изменение их вида в различные времена года. Зимой в северном полушарии полярная шапка вырастет и покроет огромную площадь, примерно на 50° от полюса, летом же она сократится всего до нескольких градусов широты. Нижний край её всегда будет казаться очень неправильным, в особенности в тех местах, где он пересекается океанами. Южная полярная шапка будет подвержена изменениям в гораздо меньшей степени, чем северная, вследствие того, что суша занимает здесь меньшую площадь. Связанные с временами года изменения цвета умеренных поясов из зелёного в коричневый, затем в чёрный и, наконец, в белый, также, по всей вероятности, могут быть замечены, и вдумчивый наблюдатель мог бы догадаться о причинах этих изменений.

Наш гипотетический астроном, смотрящий на Землю из внешнего пространства, мог бы увидеть одну особенность, которую нельзя наблюдать ни на какой другой планете. Именно, он мог бы увидеть непосредстеенное отражение Солнца в наших океанах, когда Земля повёрнута соответствующим образом (рис. 35). Это могло бы явиться большим сюрпризом для марсианского астронома, который никогда не встречался с большими скоплениями воды. Он мог бы приписать это яркое точечное отражение гладкой кристаллической поверхности Земли.

Одно из наблюдений, относящихся к планете Земля, записанное нашим гипотетическим астрономом в его книге наблюдений, состояло бы в том, что ось вращения не перпендикулярна к эклиптике, т. е. к плоскости обращения планеты вокруг Солнца. Длительные и тщательно проведённые измерения привели бы астронома к заключению, что экватор наклонён к плоскости эклиптики под углом 23 1/2° - Этот наклон экватора к эклиптике мог бы дать ему ключ к объяснению сезонных изменений цвета различных поясов земного шара, а также объяснил бы изменение размеров полярных шапок.

Рис. 37. Времена года. Разница между зимой и летом сглаживается в северном полушарии и усиливается в южном, вследствие эксцентрического положения Солнца. Времена года указаны для северного полушария

Наш астроном пришёл бы к заключению, что направление полюсов остаётся неизменным в пространстве, когда Земля движется по своей орбите вокруг Солнца (рис. 37). Когда северный полюс наклонён к Солнцу (а), северное полушарие сильнее освещается солнечными лучами. Полюс освещен Солнцем непрерывно, а продолжительность дня больше продолжительности ночи всюду к северу от экватора. Кроме того, солнечный свет падает на поверхность северного полушария более отвесно, так что каждый участок поверхности получит больше тепла и света за то время, что он будет освещен Солнцем (рис. 38), и освещенной будет большее количество часов.

Рис. 38. Солнце нагревает поверхность более эффективно, когда лучи падают вертикально, как в (а), а не косо как в (b) или (с)

На четверть периода позже (через три месяца) Земля будет находиться в положении (b) (рис. 37), и всюду на земном шаре день будет равен ночи. За последующий полупериод (шесть месяцев) южное полушарие будет получать больше тепла, чем северное, северный полюс в это время будет совершенно не освещен. Если наш внеземной астроном обладает какой-то минимальной сообразительностью (а он, конечно, ей обладает - ведь он астроном!), то он сможет дать полное объяснение изменений цвета обоих полушарий, а также всех особенностей поведения полярных шапок. Он мог бы выразиться следующим образом: "Очевидно, на планете Земля должны протекать сложные физические или химические реакции, которые непосредственно вызываются действием солнечного тепла. Некоторые области, именно тёмносиние пятна, покрывающие большую часть поверхности планеты, меняют свой вид лишь при очень значительных изменениях температуры, другие же области, именно те, которые при повышении температуры приобретают зелёную окраску, реагируют на гораздо менее значительные температурные колебания. Постоянно существующие полярные шапки, по всей вероятности, сходны с теми областями, которые зеленеют при повышении температуры, но никогда не получают достаточного нагрева, чтобы реакция могла протекать".

Наш учёный друг из межпланетного пространства мог бы продолжить следующим образом:

"Поэтому мы можем заключить, что более стабильные тёмносиние области являются очень хорошими проводниками тепла по сравнению с другими областями, которые так сильно подвержены влиянию незначительных изменений температуры..." Поскольку автору настоящей книги не вполне ясно, к каким прочим важным выводам мог бы притти наш гипотетический астроном, мы на этом и закончим. Наблюдения, произведённые извне, гораздо интереснее выводов, которые могут быть сделаны на их основании.

Наблюдения показывают, что период наивысшей температуры не совпадает с периодом наибольшей продолжительности дня и максимума солнечного света, падающего на поверхность Земли. В умеренном поясе северного полушария максимум солнечного освещения приходится на 21 июня (положение а на рис. 37), но середина лета, время самой высокой температуры, наступает в действительности в конце июля или около первого августа. Прочие времена года запаздывают аналогичным образом. Это отставание времён года объясняется тем, что атмосфера и поверхность Земли (только на глубину в несколько метров) нагреваются по мере того, как возрастает количество тепла, получаемого Землёй от Солнца. Температура продолжает возрастать, пока нагревание достаточно сильное, даже и тогда, когда оно начинает спадать, до тех пор, пока скорость получения тепла не станет равной скорости потери его. Точно так же наиболее холодная погода зимой наступает через месяц или более после 21 декабря (наиболее короткого дня в году).

Интересно отметить, что Земля находится в перигелии, т. е. ближе всего к Солнцу, в середине зимы в северном полушарии, а в афелии, т. е. дальше всего от Солнца, в середине лета. В результате различия между временами года в северном полушарии несколько сглаживаются, а в южном полушарии, где наблюдается обратный эффект, разница температур становится более резкой.

Рис. 39 а. Абсолютно твёрдая сферическая Земля, вращаясь, перегоняла бы воду по трубке от полюса к экватору. Такой трубки не существует, но действие вращения проявилось бы в том, что океан стёк бы к экватору

Землю обычно называют шаром, но на самом деле она не является правильной сферой. Тщательные измерения показывают, что экваториальный диаметр примерно на 43 км (1/297)) больше полярного диаметра; в действительности форма Земли напоминает слегка сплюснутый эллипсоид. Происхождение этой деформации не случайно. Внутреннее притяжение достаточно сильно, чтобы вся масса Земли приняла форму правильного шара, что и случилось бы, если бы Земля не вращалась. Вращение Земли вокруг своей оси, совершающееся за 24 часа, порождает центробежную силу, которая увеличивает экваториальный диаметр за счёт полярного диаметра, в результате чего образуется наблюдаемый нами экваториальный выступ. Если бы вещество Земли было слишком твёрдым, чтобы, принять форму, обусловленную вращением, то вода океанов хлынула бы к экватору и таким образом компенсировала бы центробежную силу (рис. 39 а). Поскольку океаны на экваторе не глубже, чем в других местах земного шара, мы должны заключить, что "твёрдая" Земля поддаётся действию центробежной силы (рис. 39 b). Наличие экваториального вздутия на Земле не только даёт повод к высказыванию парадоксов, вроде следующего: "Река Миссисипи течёт вверх" (Устье реки дальше от центра Земли, чем её исток. Река течёт под действием центробежной силы, вызванной вращением Земли)), но и является причиной одного эффекта, весьма важного для астрономов. Этот эффект носит название прецессии, или предварения равноденствий; он наблюдался ещё в древности, но объяснение его было дано Ньютоном. Термин "прецессия" выражает тот факт, что направление земной оси не остаётся неизменным в пространстве в течение длительных промежутков времени, но медленно совершает круговое движение с периодом 26000 лет. Угол между экватором и эклиптикой не меняется существенным образом, хотя земная ось вращается, как ось волчка. Аналогия (рис. 40) является почти полной, так как Земля действительно ведёт себя, как большой волчок.

Рис. 39 b. Наша реальная Земля вследствие вращения приняла сплюснутую форму, благодаря чему поддерживается одинаковый уровень воды у полюсов и у экватора

Осью волчка является полярная ось Земли, сам волчок - это Земля, а ободком служит экваториальный выступ. Вследствие наклона экватора к эклиптике этот выступ всегда испытывает притяжение со стороны Луны, Солнца и планет, которые стремятся повернуть экваториальный выступ, а тем самым и экватор в плоскость эклиптики. В случае волчка действие силы тяжести является обратным, - она стремится повернуть ось вращения. Ни в том, ни в другом случаях поворачивающая сила не может вызвать опрокидывания. Угол между осью вращения и силой остаётся постоянным, но ось будет описывать конус, как показано на рис. 40 (Единственная разница между движениями волчка и Земли заключается в том, что возмущающая сила противоположна по направлению. Поэтому направления прецессии для этих тел противоположны. Всякий, кто имел дело с гироскопом, видел, что движение оси вращения всегда перпендикулярно к направлению действующей на него возмущающей силы)).

Рис. 40. Волчок и Земля. Оси вращения описывают конус благодаря действию сил, стремящихся изменить их направление

Прецессия перестанет казаться нам чисто академической проблемой, если мы обратимся к тем усложнениям, которые она вносит в наш календарь. Возвращаясь к рис. 37, мы видим, что смена времён года зависит от направления оси вращения Земли. Когда Земля и Солнце находятся на линии равноденствий (bd), по которой пересекаются плоскости экватора и эклиптики, может быть либо весна, либо осень. Прецессия, или, как её называют, предварение равноденствий, есть движение равноденственных точек к западу (По часовой стрелке, если смотреть с северного полюса)), измеренное относительно звёзд. Если мы определим год как одно обращение Земли вокруг Солнца, измеренное относительно звёзд, то времена года очень скоро начнут смещаться и за несколько тысяч лет перейдут на совершенно другие месяцы. Чтобы избежать этого, календарный, или тропический, год измеряется, начиная с момента, когда Солнце находится в направлении весеннего равноденствия, и до того момента, когда оно снова вернётся в это положение (Длина тропического года равна 365^Д 5^Ч 48^М 46,0^С)). Этот тропический год позволяет сохранять соответствие между нашим календарём и временами года, но он короче истинного, сидерического года примерно на 20 минут.

Древние астрономы отмечали, что с течением времени положение звёзд на небе в одно и то же время года медленно менялось (Один цикл составлял "год богов". Для богов протяжённость человеческой жизни была та же, что для людей один день. Период прецессии довольно точно равен 70X365 лет)); кроме того, они отметили ещё более заметное явление смещения северного полюса неба. Наша Полярная звезда только временно может лужить звездой, указывающей на полюс (рис. 41), хотя движение полюса за время человеческой жизни ничтожно мало. В то время, когда строились египетские" пирамиды, Полярной звездой была а Дракона, лежащая примерно на расстоянии 25° от нашей Полярной звезды.

Для астронома прецессия представляет множество гораздо более серьёзных проблем, чем просто изменение длины года. Он принуждён производить измерения положений небесных светил относительно системы координат, которая сама не остаётся неподвижной. Положение астронома можно сравнить с положением некоего воображаемого картографа, который обнаружил, что все континенты и острова мира движутся. Тогда, чтсбы определить широту и долготу какого-либо места, придётся производить вычисления, причём необходимо будет знать; для какого момента времени ищутся данные долгота и широта. В астрономии исходной точкой для практических оно равно 1/0,76•206 265•149 500000 или 4,1•10¹³ км. Такое расстояние слишком велико, чтобы его можно было ясно себе представить, и лучше его выразить в световых годах, т. е. в расстояниях, которые свет (двигаясь со скоростью 300 000 км/сек) проходит за один год. Свет от Луны доходит до нас за 1,3 секунды, свет от Солнца - за 8,5 минут, но свет от Проксимы Центавра идёт до нас больше четырёх лет. Остальные звёзды, даже яркие, видимые невооружённому глазу, удалены от нас на гораздо большие расстояния.

Наиболее далёкие звёзды, которые могут быть сфотографированы 100-дюймовым телескопом, находятся от нас на расстоянии более 10 миллионов световых лет, а самая слабая "островная вселенная" (Спиральная туманность, или галактика)) - на расстоянии нескольких сотен миллионов световых лет. Вряд ли мы вправе порицать древних астрономов за то, что они не могли предвидеть существования таких больших расстояний.

Движение Земли рассматривается в настоящее время не как тяжеловесное движение огромной массы в пространстве, но как естественное движение маленькой планеты вокруг центральной звезды. В глубинах пространства Земля не более значительна, чем пылинка. Однако для её обитателей Земля является домом, материнской планетой, и вполне понятно, что для нас Земля - самый важный объект во вселенной. В следующей главе мы посмотрим, хорошим ли домом для нас является Земля.