0 (вместо предисловия).
Наш дом - Солнечная система.

Небольшое отступление - какие бывают системы.

Что такое система?

Солнечная система - это имя системы (Солнечной она именуется по имени своего главного объекта - Солнца). Стало быть, прежде чем говорить о развитии системы, нужно понять, что это такое.

Существует множество определений системы, причем определения нередко противоречат друг другу. На самом деле, любую вещь можно рассматривать как систему: кошку, шкаф, расческу, человека, Землю, Солнце... Такое рассмотрение обычной, само собой разумеющейся вещи как системы называется системным подходом. Если мы рассматриваем вещь как систему, это значит, что мы:

1. Делим ее на части - элементы системы.

2. Определяем взаимосвязи между элементами - структуру системы.

3. Каждый элемент рассматриваем не просто так, а с точки зрения его принадлежности к системе - т.е., его функции в системе.

Есть еще много особенностей, черт и методов системного подхода. Но перечисленные 3 пункта необходимы и достаточны для того, чтобы уверенно сказать: перед нами не просто кошка (или, допустим, Земля) - перед нами система.

Параметры системы.

Всякую сколь угодно сложную систему можно описать набором свойств (параметров). Параметры могут быть простыми (цвет, размер, количество, трезвость, наличие жизни в теле), так и составными (характер, уровень экономического развития, форма) - то есть, составленными из простых. Простые параметры могут быть как количественными (измеримыми целыми либо дробными числами), так и качественными (описываются словами, а не числами).

Измерение качественного параметра - это выражение его через количество, то есть, придание ему некоторой меры. Шкала измерения - это мера, то есть, способ количественного выражения качественного параметра.

Кроме того, параметры бывают независимыми (как цвет глаз человека и его правдивость), частично зависимыми (как цвет кожи и состояние здоровья) и полностью зависимыми (как стоимость товара полностью зависит от его цены и количества). Если все параметры системы полностью зависят от какого-то набора параметров, такой набор параметров называется определяющим или качеством системы.

Зависимость количественных параметров друг от друга выражается уравнениями или неравенствами.

Классификация систем по структуре.

Системы бывают аддитивными (линейными) и неаддитивными (нелинейными). Аддитивное - это система, представимая как сумма элементов, то есть, свойства которой сводятся к свойствам элементов, а свойства элементов вытекают из свойств системы. В аддитивных системах эффект от составного воздействия на объект складывается из эффектов простых воздействий. Пример аддитивной системы - стакан с водой, в который можно наливать и выливать воду.

Гомогенная система - это обобщение аддитивной системы. А именно, система, параметры которой аддитивны, но взаимосвязи параметров могут быть неаддитивными. Из аддитивности параметров следует, что они измеримы количественно. Такую систему можно полностью охарактеризовать вектором количественных параметров, а каждое воздействие на параметр считать прибавлением числа к этому вектору. Поэтому гомогенные системы описываются разностными и дифференциальными уравнениями. Примеры гомогенных систем: газ (характеризующийся температурой, давлением и объемом), песок на пляже, курсы акций на бирже, память компьютера.

Гетерогенная система - это система, параметры которой неаддитивны, то есть, не поддаются разбиению на меньшие части такого же типа. В гетерогенной системе играют важную роль качественные параметры и диалектический закон перехода количества в качество. Согласно этому закону, если какой-то параметр неограниченно возрастает, в результате его возрастания может однажды возникнуть нечто новое, качество, которого раньше не было. Впрочем, этот закон можно понимать не только в динамическом аспекте, но и в аспекте рассмотрения некоторого семейства состояний системы. Например, когда население деревни переходит какой-то количественный рубеж, происходит качественный скачок - она становится городом (город - это, разумеется, гетерогенная система).

Динамические системы.

Системы бывают статическими - если их параметры не меняются с течением времени и динамическими - если параметры меняются. Из динамических систем можно выделить класс стационарных систем, близких к статическим - систем, у которых есть определяющий набор параметров, не меняющийся со временем. Например, тело, прямолинейно летящее с постоянной скоростью - динамическая (поскольку координаты меняются) стационарная система (определяющим параметром является скорость).

Динамические системы делятся на закрытые, в которых параметры зависят только друг от друга и открытые, в которых существует зависимость параметров системы (внутренних или эндогенных) от параметров некоторых других систем (внешних или экзогенных). Поведение открытой системы - это как раз параметры ее взаимодействия с внешней средой.

Открытые системы можно соединять между собой так, чтобы они взаимодействовали по некоторым входам и выходам - т.е., производить композицию. Таким образом, можно получать сложные системы из простых. Именно этим занимаются современные инженеры, собирая сложные машины из частей (вообще говоря, подобная сборка стала возможным только после стандартизации деталей, произошедшей в эпоху индустриальной революции). Всякая система является композицией своих подсистем.

Если динамическая система линейна, то ее параметры могут вести себя так:

1. неограниченно (экспоненциально) возрастать - поскольку все реальные системы ограничены, это означает разрушение системы

2. затухать, стремясь к некоторому постоянному значению

3. не меняться с течением времени

4. колебаться вокруг одного значения с определенным периодом

5. совершать одновременно несколько стационарных или затухающих колебаний

Параметры делятся на устойчивые и неустойчивые. Устойчивые параметры предсказуемы, они меняются в ограниченных пределах по одному из вышеперечисленных законов. Неустойчивые параметры могут от любого сколь угодно малого воздействия выйти из положения равновесия и начать быстро расти в неизвестном направлении. Например, кто мог предположить, что странные игрушки, которыми баловался чудаковатый господин Циолковский, сидя у себя в Калуге, сыграют столь огромную положительную роль в стремлении человека к звездам, а взрыв советского лунного корабля во время испытаний - столь огромную отрицательную роль?

Что касается нелинейных систем, в них главную роль играют неустойчивые параметры. Неустойчивый параметр выходит из положения равновесия, быстро начинает расти - а затем прекращает рост, поскольку не существует ничего бесконечного и неограниченного, и всякому росту положен предел, определенный множеством факторов. Этот плавный рост, быстрый экспоненциальный рост, а затем насыщение и замедление роста - это и есть излюбленная синергетиками логистическая кривая. По ней, например, развивался конный транспорт, так что мы должны быть благодарны этой кривой за то, что улицы городов сейчас не завалены навозом. Другой пример: численность биологического вида быстро растет, пока не начнет иссякать пища в месте обитания - тогда наступает насыщение.

Таким образом, основные два вида поведения количественных параметров в гомогенных нелинейных системах - рост по логистической кривой и набор колебаний. Колебания с большим периодом (низкочастотные колебания) определяют поведение системы на больших интервалах времени, колебания с малым периодом (высокочастотные колебания) - поведение на малых интервалах времени.

В то же время, при переходе к малым интервалам времени многие свойства динамических систем упрощаются. Так открытую систему можно приближенно рассматривать как закрытую, гетерогенную - как гомогенную. В случае гладкости описывающих систему параметров, динамическую нелинейную систему можно на малых пространственных и временных интервалах рассматривать как линейную.

В гетерогенных нелинейных системах играет большую роль диалектический закон перехода количества в качество. Согласно этому закону, если какой-то параметр неограниченно возрастает, в результате его возрастания может однажды возникнуть нечто новое, качество, которого раньше не было. Так, в истории человечества можно выделить промышленную революцию, индустриальную революцию, научно-техническую революцию, космическую революцию, компьютерную революция. Революция - это переходный режим развития, появление нового качества в противоположность эволюции - плавному количественному развитию (так определял эволюцию и революцию Гегель).

По этой причине, в неаддитивных системах логистические кривые не всегда выходят на уровень насыщения. Не менее часто бурный рост прерывается внезапно из-за того, что количественные изменения переходят в качественные. После этого, вообще говоря, предыдущая количественная модель перестает работать, ее нужно подкорректировать. Именно поэтому не стоит воспринимать на веру количественные компьютерные модели Римского клуба, предсказывающие неизбежный апокалипсис в XXI веке (а вот к определению пределов количественного роста, следующему из этих моделей, следует отнестись всерьез).

В гетерогенных системах переход количественных изменений в качественные может привести к тому, что параметры подсистемы совершат скачок, после которого она перестанет подчиняться объемлющей системе. Это ситуация срыва управления, как описывает ее достаточно общая теория управления (ДОТУ). Например, ребенок в какой-то момент выходит из-под опеки взрослого и начинает идти своим путем. Таким образом, в гетерогенных системах высокочастотные процессы уже не всегда подчинены низкочастотным - точнее, подчинение прекращается в тот момент, когда низкочастотный процесс обрывается.

Функциональные системы.

При взаимодействии динамической системы с внешним миром она определенным образом реагирует на внешние воздействия (управление) и сама воздействует на внешний мир. Такая система может иметь некоторые функции - то есть, реализовывать определенные цели, поставленные перед ней внешним миром. Совокупность целей, упорядоченных по приоритеру (вообще говоря, это частичный порядок) образует вектор целей.

Простейшие типы функций:

1. Причинные (каузальные) функции - параметры системы и выходное воздействие однозначно определяется входным воздействием и теми параметрами системы, которые были до этого. То есть, система изменяется в соответствии с некоторым своим внутренним временем, реагируя на сигналы извне. Пример - программа в операционной системе DOS. На причинных функциях основаны классические модели кибернетических систем.

2. Целевые функции - параметры системы, определяющие реагирование на внешнюю среду, устойчивы. Каждая воздействие внешней среды (запрос) вызывает определенный ответ в соответствии с внешним для системы временем. Пример - окно в операционной системе Windows.

Причинным функция соответствует двойственность "причина-следствие", а целевым функциям - "средства-цель". С точки зрения структуры, причинные функции вызывают изменчивость системы, а целевые функции определяют ее наследственность, сохраняющиеся свойства.

Механическая система - функциональная система, в которой функции делятся на целевые, определяющие постоянную функциональность системы, и причинные, определяющие ее меняющиеся параметры. Если функции только причинные, система называется каузальной. Если только целевые - это абстрактная функциональная система. Примеры механических систем: камни и скалы (они имеют каузальные функции), любые искусственные устройства, созданные человеком (в них всегда есть хотя бы одна целевая функция).

Вообще говоря, если рассматривать механическую причину с разных точек зрения, одни и те же функции могут быть как целевыми, так и каузальными. Например, операционная система Windows – пример абстрактной функциональной системы с целевыми функциями, но программист, знающий ее устройство, может описать их как каузальные, указав, как программа реагирует на входные воздействия. Клавиатура компьютера для нас – целевая система, ибо мы нажимаем на клавиши, чтобы достичь определенных целей. Но для самого компьютера она каузальна, ибо он реагирует на внешние воздействия – нажатия клавиш. Такая «двойственность» целевых и каузальных функций подобна цилиндру. Взглянув на него с одной стороны, мы увидим прямоугольник. С другой стороны – круг.

Органическая система - система, в которой отождествляются причинные и целевые функции и реализуется диалектическая двойственность "причина-цель". Функция органической системы никогда не сводится к чисто целевой или чисто каузальной – ее цели меняются от внешних воздействий, а реакция на внешние воздействия зависит от поставленных целей. Иначе говоря, функции системы зависят от внешней среды - можно сказать, что система приспосабливается к среде. При этом всякая причина ведет к реализации некоторой цели, а всякая цель является следствием некоторого воздействия. Органическая система ведет себя целесообразно. Она подобна кошке, которая не прямоугольна и не кругла, но всегда может распластаться, сделав тело прямоугольным, или свернуться в круглый клубочек.

Отсюда следует, что органическая система всегда является гетерогенной и в ней происходит переход количества в качество (появление новых целей). С точки зрения ДОТУ, органическая система – это система, которая содержит в себе свой сопряженный интеллект (т.е., ближайшую систему управления), а механическая система управляется сопряженным интеллектом извне. Пример органической системы - любое живое существо.

Вообще говоря, различие между механическими и органическими системами – довольно тонкое, ибо нет правил их однозначного распознавания. Можно сделать механическую кошку, которую будет сложно отличить от настоящей. Но, покопавшись в такой кошке, мы рано или поздно выделим в ней целевые и каузальные функции. В органической же кошке всегда есть нечто несводимое к целям или причинам. Главная особенность органической системы – ее свобода.

Информационные и управляющие системы.

В каждой сложной системе имеется материя, информация и управление.

Материя - это то, из чего состоит система, то есть, элементы системы, абстрагированные от ее структуры. Например, материя книги - это бумага и чернила, материя компьютерной программы - это набор байт.

Информация - это объект, который сам не является материальным, но отражает структуру некоей материи (объект информации). В том случае, если мы фиксируем не только объект, но и субъекта (получателя) информации, требуется, чтобы информация уменьшала неопределенность состояния объекта для субъекта. Например, радиосигнал от спутника сам по себе не является информацией. Когда космический корабль поймал этот сигнал и ориентировался по нему, сигнал был для него информацией. Но после обработки спутник перестает быть для него источником информации, ибо новую информацию дать не может.

Таким образом, информация не может существовать без материи. Как мы увидим далее, материя тоже не может существовать без информации. Таким образом, реализуется диалектическая двойственность «материя/информация».

Управление - это информация в функциональных системах, обладающая двумя свойствами:

1. Объект информации совпадает с субъектом. То есть, объект управления получает информацию о себе самом.

2. Управление связано с некоторой функцией объекта управления и задает для него некоторую цель.

Таким образом, композиция систем по управлению - это соединение управляющей системы и управляемой системы, при котором первая система определяет поведение второй. При этом функции композиции совпадают с функциями управляющей системы. Из этого сразу следует, что если органическая система управляет какой-то другой системой, то получившаяся композиция является органической. Это сразу дает нам множество примеров органических систем: любое искусственное устройство, управляемое человеком, город, общество, популяция, географическая среда.

В частности, если гетерогенная система управляет гомогенной, вместе они образуют гетерогенную систему. Ну, а гомогенная система не может управлять гетерогенной - это неизбежно заканчивается срывом управления.

Если же гетерогенная система A управляет гетерогенной системой B, управление может быть эффективным (устойчивым по предсказуемости, согласно ДОТУ) только в том случае, когда система A может наблюдать и предсказывать все качественные изменения в системе B. Для этого система A должна меняться, приспосабливаясь к системе B - то есть, быть органической системой. Органичность - необходимое, но не достаточное условие. Например, человек (органическая система) может управлять космическим кораблем (гетерогенной механической системой), а кошка не может, несмотря на то, что тоже является органической.

Солнечная система.

Начнем с начала...

Солнечная система - сложная динамическая система гигантского размера, состоящая из вещества, находящегося во всех четырех фазовых состояниях, которое движется, взаимодействует, испытывает различные превращения. Чтобы показать ее сложность, заметим лишь, что планета Земля, которую мы привыкли воспринимать как огромный и сложный мир, является ее незначительной частью. Солнечная система – это миллионы Земель в диаметре по размеру и миллионы Земель по массе.

Это динамическая система, которая возникла примерно 5-10 млрд. лет назад и, вообще говоря, нестационарна - то есть, переходит с течением времени из одних состояний в другие, принципиально новые. Эволюция Солнечной системы отнюдь не завершена, она активно продолжается. Именно поэтому можно говорить о ее развитии.

Солнечная система - часть более широкой системы - Галактики. Она движется вокруг центра Галактики с периодом несколько сотен миллионов лет.

Читатель может спросить: почему надо говорить о Солнечной системе, а не о какой-то иной общности миров? Солнечная система достаточно близка к нам для того, чтобы в ближайшие столетия мы не могли игнорировать ее воздействие на жизнь всего человечества – ведь ее освоение автоматическими аппаратами уже началось, а вслед должно пойти освоение человеком. Она достаточно разнообразна для того, чтобы мы не могли свести ее жизнь и развитие лишь к простому гравитационному взаимодействию планет. Как мы увидим дальше, помимо взаимодействия планет есть немало других сил, которые не менее важны. Она достаточно велика и замкнута для того, чтобы мы могли довольствоваться ее описанием, не выходя на уровень других звездных систем и Галактики. В ближайшие столетия люди не полетят к звездам – а до этого мы можем пренебречь влиянием звезд на нашу жизнь.

Для Солнечной системы можно точно и однозначно указать то системное свойство, которое определяет ее как целостность, отделяя от остального мира. Это свойство - сила тяготения, которая собрала вещество в шар радиуса порядка 10 млрд. км. Исторически сложилось так, что шар вращается и потому сохраняет достаточно большие размеры – центробежная сила уравновешивает силу тяготения.

В центре шара находится плотный комок вещества радиуса примерно 3 млн. км, называемый Солнцем. По его имени получила название и вся система. Граница Солнца определяется равновесием между силой притяжения и силой давления солнечных лучей. Вещество - солнечный ветер - непрерывно выбрасывается за пределы этой границы, распространяясь по всей Солнечной системе. Радиус Солнца в тысячи раз меньше радиуса всей системы, но его масса составляет больше 99% массы системы. Поэтому притяжение Солнца - важнейший механический системообразующий фактор.

Итак, мы можем сделать вывод, что Солнечная система состоит из двух подсистем: Солнца и его окружения. Солнце существенно влияет на окружение по 3 параметрам:

- гравитация

- солнечное излучение (электромагитные волны большой энергии)

- распространение вещества (солнечный ветер)

С другой стороны, окружение практически не влияет на Солнце (если не считать незначительного влияния тяготения Юпитера). Кроме того, Солнечную систему можно считать закрытой, поскольку влияние внешнего мира на нее незначительно (если не считать галактического излучения). Таким образом, получаем простую схему разбиения на две подсистемы:

Солнце → спутники Солнца.

Сила тяготения определяет основные свойства и той, и другой подсистемы. Солнце она делит на 6 концентрических областей:

1. Ядро (до 150 тыс. км)

2. Область лучевого переноса (150 тыс. км - 600 тыс. км)

3. Конвективная область (600 тыс. км - 696 тыс. км)

4. Фотосфера (толщина всего 300 км)

5. Хромосфера (696 тыс. км - 710 тыс. км)

6. Солнечная корона (710 тыс. км - до 3 млн. км).

Обычно, хромосферу и солнечную корону (а иногда и фотосферу) не причисляют к Солнцу, а считают его атмосферой. Впрочем, основания для деления Солнца на "основную часть" и "атмосферу" - весьма неясные, поскольку, как мы увидим дальше, атмосферы иных тел имеет принципиально иную природу, чем "атмосфера" Солнца. Так или иначе, стандартная цифра для радиуса Солнца, которую приводят в справочниках -- 696 тыс. км.

Вещество Солнца из-за царящих на нем высоких температур может находиться только в состоянии плазмы, состоящей из различных элементов таблицы Менделеева в разных пропорциях. Однако, это отнюдь не означает, что Солнце - простая гомогенная система. Плазма, взаимодействующая с электромагнитным полем, порождает в конвективной области, фотосфере и хромосфере такие качественно новые объекты, как солнечные пятна, факелы, флоккулы и протуберанцы. Это значит, что Солнце - гетерогенная система. Является ли она органической - вопрос открытый (далее мы еще затронем вопрос о "жизни на Солнце").

Окружение Солнца, соответственно, также делится на 6 концентрических областей:

1. Окрестности Солнца (3 млн. км – порядка 10 млн. км)

2. Пояс планет земной группы (порядка 10 млн. км - 250 млн. км)

3. Пояс астероидов (250 млн. км - 750 млн. км)

4. Пояс газовых гигантов (750 млн. км - 4,5 млрд. км)

5. Пояс Койпера (4,5 млрд. км - 7,5 млрд. км)

6. Внутренняя часть облака Оорта (7.5 млрд. км – более 200 млрд. км)

7. Облако Оорта (триллионы км – т.е., световые месяцы и, возможно, годы)

Вещество вокруг Солнца находится в твердом, жидком, газообразном состоянии и в состоянии плазмы. В окрестностях Солнца твердое вещество существовать не может из-за высокой энергии излучения. Во внешних областях 2-6 вещество в твердом состоянии, занимающее незначительный объем, под действием собственной силы притяжения и силы притяжения Солнца распалось на множество кусочков - тел Солнечной системы, вращающихся вокруг Солнца.

Вещество в газообразном состоянии - межзвездный газ - заполняет всю Солнечную систему. Вокруг массивных твердых тел газ сгущается под действием их гравитации, его давление многократно возрастает, и он образует атмосферу тел. Вещество в жидком состоянии может существовать только на твердых телах при наличии достаточно плотной атмосферы или внутри твердых тел. В этом случае оно образует гидросферу тел.

Вещество в состоянии плазмы - заряженный солнечный ветер - непрерывно движется от центра к окраинам системы. Скорость, которую он набирает под действием солнечных лучей, достаточно велика (450 км/с в окрестности Земли), так что солнечный ветер является значительной силой, действующей на газообразное вещество - в частности, сдувающей с тел атмосферу.

Солнечная система как механическая система.

Основная сила, определяющая движение твердых тел Солнечной системы - сила гравитации. Все твердые тела вращаются вокруг Солнца так, что сила его притяжения и центробежная сила уравновешиваются. Твердых тел очень много - тысячи и миллионы, но достаточно крупных, чтобы силой их притяжения нельзя было пренебречь в масштабах всей системы - всего несколько десятков.

Есть два подхода к описанию взаимодействия тел: подход Кеплера и подход Ньютона. Кеплер еще до открытия закона всемирного тяготения рассмотрел задачу 2 тел: тела В (спутника), вращающегося вокруг тела А - и вывел 3 закона:

1. Спутник В вращается вокруг А по эллипсу, в фокусе которого находится А. Иногда можно приближенно считать, что спутник вращается по окружности, в центре которой - А.

2. Квадрат расстояния от В до А пропорционален кубу периода вращения. Это значит, что если спутник находится на расстоянии X, то его скорость вращения обратно пропорциональна квадратному корню из X, а период обращения пропорционален X, умноженному на корень из X. В частности, чем дальше планета от Солнца, тем медленнее она движется.

3. Спутник вращается с такой скоростью, что площадь эллиптического сектора, заметаемого им за каждый интервал времени, постоянна. Для круглой орбиты это просто означает, что спутник движется с постоянной скоростью. Для эллипса это значит, что находясь ближе к А (около малой оси эллипса), спутник начинает двигаться быстрее, а удаляясь от А (приближаясь к большой оси эллипса), замедляется.

Для двух тел законы Кеплера полностью описывают их поведение. Для трех и более тел стандартный подход к описанию взаимодействия - ньютоновский: вычисление расстояния между телами и сил взаимного тяготения, которые определяют параметры движения. Однако, задача трех тел (а тем более, 4 и более тел) не имеет аналитического решения. Это значит, что ньютоновский подход не дает прямого ответа на вопрос: как тела будут между собой взаимодействовать в тех или иных случаях? Будет ли это одновременное взаимодействие всех тел или же они как-то распадутся на пары, тройки, и.т.п.?

Приближенный ответ на этот вопрос можно получить, используя рассуждения, типа "если мы возьмем А как точку отсчета, В описывает в некоторой плоскости замкнутую кривую вокруг А. Следовательно, В вращается вокруг А". Таким образом, мы получаем отношение "вращается вокруг", которое, вообще говоря, симметрично. Если мы берем Солнце за центр, оказывается, что Земля вращается вокруг Солнца. Если мы берем Землю, вращающуюся вокруг своей оси, за центр, то получаем, что Солнце вращается вокруг Земли по наклонной орбите, а все прочие планеты - вокруг Солнца. Такая модель, кстати, гораздо удобнее для понимания смены времен года на Земле (странно, что Птолемей до нее не додумался). Можно даже "заставить" Землю вращаться вокруг Луны. В результате, получаем неориентированное дерево "вращений".

Если принять во внимание поправки на влияние планет друг на друга, дерево превращается в граф. При описании этого графа тривиальное "метрическое" рассуждение, типа "чем ближе тела, тем сильнее они взаимодействуют", ничем нам не поможет. Как известно, даже задача 3 тел неустойчива и не поддается аналитическому решению.

Всё сказанное относится к случаю, когда тела настолько малы, что их можно считать точками. Но ведь есть и довольно большие тела, размерами которых нельзя пренебрегать! Если большое тело А притягивается к большому телу В, то В оказывает приливное воздействие на А. При этом А и В теряют энергию вращения вокруг оси - она переходит частично в тектоническую энергию колебания тела, частично в энергию вращения. При этом сила приливного воздействия тем больше, чем больше тело А. Так Луна оказывает приливное воздействие на Землю, вызывая на ней приливы и отливы – и Земля тоже оказывает приливное воздействие на Луну.

Если тело А подходит достаточно близко к телу В – пересекает предел Роша – приливное воздействие разрушает его, раскалывает на куски. Только маленькие кусочки могут уберечься от разрушения. Поэтому у каждого большого тела вблизи предела Роша существует кольцо из маленьких обломков. Кольца нет у Солнца, потому что его предел Роша находится в окрестностях Солнца, где твердые тела плавятся и испаряются. Кольца есть у всех газовых гигантов: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. У планет меньшего размера всё, что образуется в пределе Роша, падает на планету или улетает на более высокую орбиту.

При исследовании задачи многих тел большую роль играют резонансы – целочисленные отношения периодов обращения тел, а также их вращения вокруг собственной оси. Резонансы делятся на устойчивые – те, которые позволяют телам долгое время существовать в одном и том же виде, и неустойчивые, заставляющие тела переходить на другие орбиты.

Примеры устойчивых резонансов:

1. Спутники, вращающиеся вокруг тел, благодаря их приливному воздействию, обращаются вокруг своей оси в устойчивом резонансе с периодом вращения вокруг тела. Точнее, в результате приливного воздействия они двигаются друг относительно друга всё быстрее, пока не попадут в энергетическую яму резонанса между периодом обращения и вращения. Например, Луна находится в резонансе 1:1 к Земле, благодаря чему всегда обращена к ней одной стороной. Меркурий находится в резонансе 2:3 к Солнцу: его период вращения вокруг Солнца (меркурианский год) в 3/2 раза больше, чем период вращения вокруг своей оси (меркурианский астрономический день).

2. Тройки тел А В и С могут образовывать стабильную структуру - треугольник, за центр которого можно принять, например, А. Пример – астероиды-греки, которые находятся в резонансе с Юпитером и Солнцем, образуя равносторонний треугольник – опережая Юпитер на орбите на 60 градусов; и астероиды-троянцы, которые отстают на 60 градусов.

3. Орбиты тел В и С могут находиться в одной плоскости, при этом влияние В "вытягивает" орбиту А, делая ее более яйцеобразной. Пример – объекты пояса Койпера (в том числе, Плутон), орбиты которых искажаются под влиянием Нептуна. На самом деле, на небольшом расстоянии от Солнца (примерно меньше миллиарда км) тела находятся ближе друг к другу, притягивают и вытягивают друг друга, а потому их орбиты находятся примерно в одной плоскости (плоскости эклиптики): это относится ко всем планетам, вплоть до газовых гигантов. Тела пояса Койпера уже уходят достаточно далеко от плоскости эклиптики. А уж в облаке Оорта они распределены почти шарообразно. То есть, Солнечная система снаружи выглядит как шар, внутри которого расположен диск.

Однако, гораздо интереснее неустойчивые резонансы, которые мешают телам спокойно вращаться и заставляют их выделывать странные кульбиты, переходя из одного состояния в другое. Примеры неустойчивых резонансов:

Если продолжить траекторию тела А, она пройдет близко от В. При этом В отклоняет траекторию А в сторону. Обычно, при подлете к B A разгоняется, а при удалении – замедляется, но ускорение оказывается более эффектным, чем замедление (ведь ускоренное тело быстро улетает от B и потому не успевает сильно замедлиться). Результат – «эффект рогатки», когда одно тело, пролетая мимо другого, срывается со своей орбиты и уносится в неизвестном направлении. Именно так появляются новые кометы, метеориты и шальные астероиды.
Достаточно большие и быстро движущиеся тела не позволяют находиться на своей орбите тем, с кем они резонируют по периоду вращения (за исключением устойчивых треугольников в резонансе 1:1, то есть, вращения с одной скоростью). Это происходит так. Вращается на своей орбите большое быстрое тело А. Через равные промежутки времени оно подлетает близко к телу В, каждый раз оказываясь по одну сторону от него (т.е., происходит противостояние планет). Каждый раз при этом оно притягивает В, отклоняя его в одну и ту же сторону. Эти отклонения складываются, складываются, и рано или поздно сносят В с орбиты, заставляя его улететь в более гостеприимные места. Этот процесс называется очисткой орбиты А. Например, Юпитер не позволяет астероидам иметь период обращения, находящийся в резонансе с его периодом (кроме тривиального резонанса 1:1). Так образуются люки Кирквуда – промежутки, в которых нет периодов обращения астероидов. Так же образуются и кольца газовых гигантов (самая впечатляющая система колец – у Сатурна): их маленькие спутники расчищают в едином кольце участки, из-за чего в кольце появляются щели и оно распадается на несколько колец.

Все эти рассуждения, разумеется, приближенные. С помощью методов малого параметра и теории поправок можно, начиная с исходного "дерева вращений", постепенно вводя поправки в движение планет, в пределе добиться правильного описания траекторий.

Этапы развития.

Солнечная система появилась не более 10 миллиардов и не менее 5 миллиардов лет назад (по крайней мере, так считают современные ученые). Современные учёные относят Солнце к звёздам второго поколения, которые возникли после того, как звёзды первого поколения превратились в сверхновые. Сколько звёздных поколений прошло после Большого Взрыва (и был ли сам Большой Взрыв) - для нас вопрос второстепенный. Важно то, что в Солнечной системе как типичной системе второго поколения изначально были все элементы таблицы Менделеева в тех же соотношениях, что и сейчас.

В развитии Солнечной системы можно выделить следующие этапы:

Первоначально на месте нынешнего солнышка была огромная туманность, которая постепенно сжималась под действием гравитации. Тот момент, когда она стала относительно изолированной от окружающих небесных тел, можно считать появлением Солнечной системы. Разные теории по-разному описывают появление нашей героини, но все сходятся на том, что основополагающую роль в нем играла гравитация и движение.

Важно отметить, что, по современным теориям, Солнце при своем возникновении находилось совсем не в той области Галактики, чем сейчас – а ближе к ее центру. За прошедшие миллиарды лет Солнце-путешественник пересекло значительную часть Галактики. Но на эволюцию системы перемещение не оказало заметного влияния! Это серьезный аргумент в пользу рассмотрения Солнечной системы как замкнутой системы.

По мере того, как туманность сжималась, ее энергия увеличивалась, в ней усиливались движения и флуктуации. Но начало развитию Солнечной системы положил первичный толчок, от которого туманность начала слабо вращаться, так что это вращение со временем победило все прочие флуктуации. Есть разные гипотезы о причине первичного толчка: некоторые считают, что неподалеку от газового облака взорвалась сверхновая, некоторые – что облако столкнулось с другим облаком. Так или иначе, вся огромная масса начала вращаться вокруг воображаемой оси, соединяющей северный и южный полюс мира. Центробежная сила мешала ей упасть в центр, но не мешала сжаться в диск. В центре туманности сила гравитации была больше, взаимодействие частиц сильнее, так что образование диска протекало более активно.

На периферии единое вращательное движение так и не возобладало, диск не образовался. Поэтому Солнечная система окружена хаотически движущейся сферой – облаком Оорта. Облако Оорта – граница между Солнечной системой и внешней Вселенной. Из этого шарообразного облака объектов иногда вырываются тела, уходящие во внутреннюю часть облака. Именно оттуда к нам иногда прилетают гостьи – кометы. Есть разные теории происхождения объектов внутренней части облака Оорта. Некоторые считают, что тела вышибают друг друга внутрь системы своей гравитацией, некоторые – что виновны внешние звёзды.

Чем больше диск сжимался, тем больше он ускорялся и разогревался. Центральная часть диска уплотнилась и разогрелась особенно сильно – она образовала Солнце. Это произошло примерно 4,6 млрд. лет назад. Ученые говорят, что Солнце стало таким горячим за счет термоядерных реакций. С тех пор оно играет центральную системообразующую роль в Солнечной системе.

Этап гравитационной неустойчивости. Начался он с фазы аккреции – образования планет за счет сжатия и налипания вещества. Во вращающемся диске также возникали флуктуации, комки, эти комки все более сжимались и сжимались, и из них возникали планеты. На раннем этапе истории Солнечной системы планет было больше, чем теперь, а система была гравитационно куда менее устойчивой. Вместо того, чтобы спокойно вращаться на своих орбитах, планеты время от времени сталкивались, распадались, поглощали друг друга.

На сравнительно небольшом расстоянии от Солнца образовались два самых больших кома, поглотившие большую часть массы системы - Юпитер и Сатурн. Два других кома – Уран и Нептун – по какой-то таинственной причине образовались дальше и большой роли в этой вакханалии не сыграли. Зато газовые гиганты очень хорошо очистили свои орбиты, так что все мелкие тела улетели либо на периферию Солнечной системы, войдя в пояс Койпера, либо внутрь системы, образовав пояс астероидов.

Орбита Сатурна тогда располагалась ближе к Солнцу, так что Солнце, Юпитер и Сатурн образовывали неустойчивую систему трех тел, которая с помощью эффекта рогатки то сталкивала планеты друг с другом, то обрушивала на внутренние планеты земной группы поток комет (следы этой грандиозной бомбардировки сохранились на Луне).

Потом Юпитер отбросил Сатурн на более далекую орбиту, в результате ситуация чуть-чуть стабилизировалась. Этап нестабильности продолжался недолго – сотни миллионов лет. Он закончился примерно 4 миллиарда лет назад.

Этап стабильного развития, когда планеты вращаются по относительно стабильным орбитам, близким к эллипсам. Конечно, орбиты все равно чуть-чуть «покачиваются» из-за неустойчивых резонансов, так что на планетах меняется климат, наступают периоды похолодания и потепления. Спутники планет также вращаются вокруг планет по довольно стабильным орбитам, хотя время от времени происходят крупные события, вроде захвата спутника, разрушения спутника приливными силами или его падения на планету.

Пояс астероидов и пояс Койпера на этапе стабильного развития перестают подвергаться точкам от крупных планет, но в них сохраняется нестабильность, обусловленная их взаимодействием между собой. Орбиты астероидов и койпероидов все время меняются. На мелкие астероиды, кроме гравитации, действует эффект Ярковского - давление солнечных лучей и реактивная отдача от излучения тепла с поверхности. Если бы астероиды не вращались вокруг оси, эффект Ярковского порождал бы силу, которая добавляется к центробежной, толкая их от Солнца. Но из-за вращения сила Ярковского отклоняется чуть-чуть в направлении наката, так что орбиты мелких астероидов постепенно дрейфуют. Рано или поздно они попадают в гравитационную рогатку крупных астероидов, которые выталкивают их из пояса. Так образуются излюбленные пути малых тел, подобные караванным тропам в пустынях Солнечной системы. Одна из таких «троп» начинается на внутреннем краю пояса астероидов (в частности, в окрестностях астероида Флора) и пересекает орбиту нашей Земли.

Этап стабильного развития начался порядка 4 миллиардов лет назад и продолжается по сей день.

Но вот на наших глазах этап стабильности завершается. На Земле человек становится силой геологического масштаба, положив начало новой геологической эпохе – антропоцену. Теперь человек выходит в космос и становится уже силой астрономического масштаба, способной менять траектории малых тел и, в перспективе, планет. Так и в истории Солнечной системы начинается новая эра – эра антропогенного развития.

Итак, образование Солнечной системы – иерархический процесс: сперва в центре системы сгустилось Солнце, потом вокруг него образовался диск из вращающейся материи, материя сгустилась в кольца, кольца сгустились в комки. Вокруг каждого комка образовался диск из вращающейся материи, материя сгустилась к кольца, кольца сгустились в комки. И так далее, как в шуточном стишке про маленьких блох, которые кусают больших блох, их кусают блохи еще меньше, и.т.д. То есть, Солнечная система в некотором смысле фрактальна: ее маленькие части подобны целому. Каждое тело А Солнечной системы содержит вокруг себя 4 зоны:

Чистая зона до предела Роша, где не могут существовать другие тела, не разрушившись. У Солнца эта зона находится в его окрестностях.
Система колец, состоящих из маленьких обломков, которые получились из первичного кольца, вращающегося вокруг А. Самые крупные объекты этой системы порождают сложную систему резонансов и как бы дирижируют согласованным движениям камней и пыли в кольцах. У Солнца, как уже сказано, не может быть такой системы (слишком жарко в его окрестностях), зато такая система есть у Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
Система спутников – больших и маленьких – которые образовались из основного материала первичного кольца вокруг А. У Солнца это пояс планет земной группы, пояс астероидов и пояс газовых гигантов.
Система маленьких дальних спутников А, которые возникли из жалких остатков материи на краю кольца. Они малы и движутся медленно, и поэтому не расчищают свои орбиты. У Солнца эта система называется поясом Койпера.

Внутренняя гидродинамика, планетотрясения и извержения вулканов.

Мы привыкли считать, что самое интересное происходит на поверхности планет, что именно на поверхности царят активные процессы и возможна жизнь. Между тем, в Солнечной системе совсем немного планет, в которых что-то интересное происходит на поверхности, но множество планет, в глубине которых происходят некие загадочные и очень мощные процессы.

Причина этих процессов очень проста, и она уже упоминалась: сжатие планеты порождает увеличение давления в ее недрах и, как следствие, разогрев недр. Это происходит для всех достаточно больших тел: Меркурия, Венеры, Земли, Луны, Марса, Юпитера, его больших спутников, Сатурна, его больших спутников, Урана, его больших спутников, Нептуна, Тритона, Плутона, Харона, для многих астероидов и койпероидов. Кроме того, планета, рядом с которой есть большой тяжелый сосед, испытывает его приливное воздействие, которое также разогревает недра. Это относится к Меркурию (его сосед - Солнце), спутникам газовых гигантов (на них влияют родительские планеты) и двойным планетам Земля-Луна и Плутон-Харон.

В фазу аккреции все тела интенсивно бомбардировались метеоритами и потому были горячее, чем ныне. Многие тела (в частности, все планеты земной группы) от нагревания перешли в фазу расплавления и стали жидкими. Тогда произошла частичная дифференциация вещества – тяжелое вещество погрузилось вглубь планет, легкое всплыло на поверхность, газы образовали атмосферу. Но дифференциация – процесс очень медленный, и планеты начали остывать и твердеть, прежде чем она закончилась.

Сделаем очередное лирическое отступление на тему школьной физики. Вещество планет пребывало и пребывает в разных фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Всякое твердое вещество имеет свою температуру плавления, которая зависит от давления: чем больше давление, тем выше температура плавления. Точнее, кристаллическое вещество имеет строго определенную температуру плавления, а аморфное вещество – диапазон температур, при которых оно постепенно превращается в жидкость. Всякая жидкость имеет температуру кипения, при которой она быстро испаряется. Температура кипения тоже повышается с ростом давления (в вакууме жидкость кипит сразу, как только испарится). Кроме того, всякая жидкость, находясь в газообразной среде, и так постепенно испаряется – чем выше температура, тем быстрее.

Но при углублении в недра планеты растет и давление, и температура. То есть, твердое вещество может на глубине расплавиться от повышения температуры. А может быть, наоборот – жидкость затвердеет от повышения давления. Бывает и так, и эдак. Вообще говоря, кривая зависимости давления от температуры с ростом глубины и кривая зависимости температуры плавления от давления могут пересекаться сколько угодно раз. Это значит, что вещество планеты может образовать несколько твердых, жидких и даже газообразных слоев. В атмосфере также могут образовываться слои жидких облаков и взвеси твердых частиц. Например, на Земле жидкие слои - астеносфера и внешнее ядро, между ними располагаются твёрдые. Считается, что жидких слоёв всего 2, но точно это не доказано. А на других планетах жидкие и твёрдые слои могут чередоваться совершенно по-другому (например, на Луне жидких слоёв вообще нет или они расположены локально).

Твердые слои – они на то и твердые, что их двигательные возможности ограничены. Но вот жидкие слои активно движутся, образуют течения, сжимаются и расширяются. На жидкий слой в недрах планеты действуют такие постоянные и периодические силы:

Постоянная сила гравитации, которые заставляют слой сжиматься и разогреваться. При этом более теплые нижние области стремятся подняться наверх и обмениваются теплом с верхними областями. В результате образуется неустойчивое равновесие, при котором, чем ниже, тем теплее (чтобы равновесие было устойчивым, внизу, наоборот, должно быть холоднее - точнее, температура не должна очень быстро повышаться на глубине).
Постоянное вращение планеты. Как мы уже говорили, говоря об образовании Солнечной системы и вспоминая три закона Кеплера, гравитирующая жидкость или газ вращается в центре быстрее, а на краю – медленнее. Можно назвать это эффектом субротации (встречается и противоположный эффект суперротации, который объяснить куда сложнее). Этот эффект порождает, во-первых, постоянные горизонтальные течения, а во-вторых, вязкое трение и дополнительный разогрев.
Сила Кориолиса, которая действует на всякое течение, направленное не по вращению планеты, и отклоняет его в направлении вращения.
Наконец, уже упоминавшиеся приливные силы, которые действуют с определенной периодичностью (зависящей от периода взаимодействия с соседней планетой) и притягивают жидкое вещество то к одному краю планеты, то к другому.

Если бы все дело ограничилось этими силами, то в каждом жидком слое планеты образовались бы достаточно сложные, но периодические течения (а у планет, которые не испытывают приливного воздействия – достаточно простые течения по направлению вращения). Но есть и другие силы, которые действуют на жидкость неожиданно и резко:

Экзогенная сила – падение на планету больших тел. Очень большое тело может даже пробить твердый слой и упасть в раскаленную жидкость. Но и не очень большое тело вызывает мощную ударную волну. В частности, так образуются морские области большинства планет - впадины, под которыми сосредотачивается жидкое вещество недр (всё, что между морскими областями - материковые области).
Эндогенная сила – продолжающаяся дифференциация вещества. В жидкости время от времени возникают твердые включения, которые оседают вниз, или пузыри газа, которые стремятся наверх.

Жидкий слой, как уже сказано, может быть нестабилен (если температура с глубиной повышается) и при этом обладает огромной энергией, и поэтому такие силы вызывают в нем разнообразные сложные возмущения – их можно обозвать общим термином тектоническая активность.

Таким образом, внутренний жидкий слой планеты – это сложная нелинейная система, в которой жидкость движется, расширяется и сжимается, нагревается и охлаждается. Эту систему изучает наука гидродинамика. В гидродинамике, обычно, считают, что жидкость – гомогенная система, которую можно описать системой дифференциальных уравнений. Эту систему решают численно и получают ответ с большой погрешностью. Иногда этой погрешностью можно пренебречь, и тогда получается ясный и полезный результат. Иногда погрешностью пренебречь нельзя, и тогда ничего не получается. Второй случай, обычно, называют турбулентностью – он связан с возникновением множества вихрей, которые плохо поддаются описанию дифференциальными уравнениями.

Причина в том, что на самом-то деле система гетерогенна. Она функционально гетерогенна - ведь в ней возможны такие качественные явления, как планетотрясения и извержения вулканов. Она структурно гетерогенна, а точнее, является фрактальной иерархической структурой. То есть, в ней выполняется принцип самоподобия: часть подобна целому. Например, каждое течение, текущее одну сторону с определенной скоростью, содержит в себе маленькие теченьица, скорости которых по-разному отклоняются от скорости основного течения; те содержат в себе еще более маленькие колебания жидкости; и.т.д. до нижнего уровня – беспорядочного движения молекул жидкости в разные стороны. Каждый вихрь в турбулентном течении можно разбить на маленькие вихорьки. Именно поэтому система гетерогенна: в ней всегда есть такие качественные явления, как теченьица, вихорьки, и.т.п. Со временем они могут разрастаться, превращаясь в грандиозные волны. Именно поэтому все предсказания землетрясений, основанные на гидродинамике и решении уравнений, попадают пальцем в небо.

Самый удобный подход к описанию гетерогенной системы – феноменологический, то есть, перечисление тех феноменов, которые возможны в данной системе. Каждый феномен порождается процессами в некотором тектоническом источнике (эпицентре). Если эпицентр находится достаточно глубоко, он порождает волны в жидкости и лежащих над ней твердых слоях, вызывая планетотрясения – движения планетной коры.

Но, кроме глубоких, есть и приповерхностные источники, находящиеся недалеко от поверхности планеты. Приповерхностные источники могут быть двух видов:

Источники в жидком слое, находящемся под тонкой корой, если кора у планеты действительно тонкая. Жидкость давит на твердую кору и время от времени может прорываться на поверхность – при этом происходит извержение вулкана. Вулкан – это место, в котором жидкость прорывается на поверхность. Вулканы бывают центральные, если жидкость вырвалась в одном месте, и щелевые – если жидкость вырвалась на длинном участке, расколов поверхность. Бывает и так, что жидкость приближается к поверхности, но не может вырваться на поверхность – тогда образуется не центральный вулкан, а нагорье, не щелевой вулкан, а горный хребет. Бывает и так, что поверхность раскалывается на очень длинном участке, и тогда внешний твердый слой планеты разделяется на литосферные плиты. Плиты могут под воздействием течений в мантии двигаться, наползать друг на друга, тонуть и плавиться, оказавшись в горячей мантии, раскалываться на части, вновь соединяться. Понятно, что движение литосферных плит возможно только у самых тектоничных планет, у которых приповерхностные источники наиболее активны. Чаще всего горные хребты образуются именно как складки при горизонтальном движении плит.
Небольшие локальные «подземные озера», которые могут появляться и исчезать. Основная причина их образования – нагрев горных пород под действием химических процессов или давления. Есть даже теория В.М. Дуничева, утверждающая, что на Земле существует только такая форма вулканизма, а никакой «жидкой мантии» не существует. Факт, подтверждающий эту теорию – уменьшение температурного градиента с глубиной, т.е., замедление роста температуры на глубине. Это значит, что в недрах Земли на ближайшие десятки километров вниз не так горячо, как мы привыкли думать. Вероятно, в этой теории есть свой резон, но все же существует и более глубокий жидкий слой, ибо движение литосферных плит – бесспорный факт.

Две основных формы тектонических источников (а значит, и вулканизма) в Солнечной системе:

Жидкая каменная магма, состоящая из тяжёлых магматических пород (базальтов). Со временем базальты могут быть преобразованы мощными процессами на поверхности планеты в осадочные породы или погрузиться вглубь планеты, превратившись в метаморфические породы (гранитные породы). Такая магма характерна для «горячих» планет земной группы и порождает привычный для нас базальтовый вулканизм.
Самая обыкновенная вода H₂O, которая может существовать как в жидком, так и в твердом состоянии. Действительно, в воде возможны течения, повышение и понижение температуры и давления, возможны колебания почвы под действием подземных вод и выбросы воды на поверхность. Вода порождает криовулканизм, который, если вдуматься, для нас тоже довольно привычен. Только центральные водяные вулканы мы называем гейзерами, щелевые вулканы – трещинами во льду, а литосферные плиты – плавучими льдами.

Объекты Солнечной системы: звезды, планеты, планетоиды, малые тела.

В Солнечной системе тысячи тел. Если учитывать всякие там небольшие скалы, их миллионы, а если считать все камешки и пылинки – миллиарды. Поэтому, естественно, возникает вопрос: как классифицировать тела Солнечной системы, т.е., разбить их на группы для удобного рассмотрения? Основные параметры, которые нужно учитывать при классификации:

Местонахождение. Как далеко от Солнца находится тело? Вокруг чего оно вертится?
Масса.
Радиус (а значит, и объем, и плотность).
Химический состав.
Наличие или отсутствие атмосферы.

Если тело очень маленькое, его остальные параметры нам не так важны – пыль она и есть пыль. В данном случае, важен тот объект, в гравитационном поле которого эта пыль летает. Но по мере увеличения размера пыль превращается в камешки, потом в скалы – и мы уже не можем эти скалы игнорировать. В какой то момент тело при увеличении размера приобретает новые свойства и становится уже не скалой, а чем-то большим.

Как мы уже выяснили, основная сила, которая правит бал в Солнечной системе – сила гравитации. Пока тело невелико, его притяжение также невелико, и потому его можно считать просто малым телом. Но по мере увеличения массы, тело начинает притягивать само себя и сжиматься под действием гравитации. Если тело очень велико (несколько сотен километров в диаметре), гравитация заставляет его принять самую экономичную – шарообразную форму. В этом случае говорят, что тело находится в состоянии гидростатического равновесия.

Таких немалых (и, чаще всего, тектонически активных) тел в Солнечной системе несколько десятков (а если учитывать неоткрытые тела пояса Койпера – может быть, и сотен). Как же их классифицировать?

На заре астрономии люди радовались, открывая каждое новое большое тело, вращающееся вокруг Солнца, и спешили назвать его планетой. Спутники планет так и называли – спутниками. Но когда было открыто огромное количество астероидов и объектов пояса Койпера, радости поубавилось: планет было слишком много, и ясно, что не все они – «настоящие планеты».

Поэтому в конце XX века Международное астрономическое сообщество (МАС) предложило новую классификацию. Согласно этой классификации, спутник звезды(!), который не является малым, но при этом не очищает орбиту (для того, чтобы ее очищать, он слишком маленький или движется слишком медленно), называется карликовой планетой. В частности, Плутон и некоторые астероиды (Церера, Паллада, Веста, и.т.п.) – это карликовые планеты. Спутник звезды(!), который очищает орбиту, называется планетой. Если планета достаточно велика, она нагревается при сжатии так сильно (видимо, из-за термоядерных реакций), что превращается в раскаленное плазменное тело, которое называется звездой. А уж вокруг звезды, в свою очередь, могут вращаться планеты. Карликовые планеты и большие спутники называются планетоидами.

Основной недостаток классификации МАС – неравноправие планет и спутников. Действительно, пыль является пылью, независимо от того, где она летает. Звезда является звездой, независимо от того, где она вращается. Почему же тело может именоваться планетой только в том случае, если тело, вокруг которого оно вращается, состоит из плазмы, а не из газа? Похоже, что в этой классификации перепутаны существенные свойства (масса и внутреннее строение) и несущественные (масса и внутреннее строение того, чьим спутником тело является). А понятие планетоида вообще соединяет в себе 2 совершенно различные категории.

Поэтому в данной Концепции используется более стройная и непротиворечивая классификация, основанная на системном анализе:

Гидростатически неравновесное тело – это малое тело. Оно является достаточно простой гомогенной системой.
Гидростатически равновесное тело, которое не очищает свою орбиту (независимо от того, где эта орбита находится) – это карликовая планета. Она является сложной подсистемой, поскольку в ее глубинах происходят тектонические процессы. Поскольку орбита карликовой планеты не очищена, она достаточно активно взаимодействует с другими телами на орбите, подвергаясь их влиянию.
Гидростатически равновесное тело, которое очищает свою орбиту (независимо от того, где эта орбита находится) – это планета. Планета одиноко движется по своей орбите, будучи частично изолированной системой, самостоятельным миром Солнечной системы (пример – мир под названием Земля). В Солнечной системе есть несколько десятков таких миров (примерно 26-28).
Большая раскаленная планета, состоящая из плазмы – это звезда. Звезда своим излучением оказывает существенное влияние на другие тела, а сама практически не подвергается их влиянию. В Солнечной системе есть единственная звезда по имени Солнце.

Слово «планетоид» мы постараемся дальше не использовать.

Таким образом, по различию между планетами и звездами мы видим, что масса тела влияет на его состав и атмосферу. Исходя из этого, мы можем более детально классифицировать планеты:

А) Планета, которая слишком мала, чтобы удерживать вокруг себя атмосферу – безатмосферная планета. Безатмосферные планеты Солнечной системы: Меркурий, Луна, Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, маленькие спутники Сатурна и Урана.

Б) Планета, которая достаточно велика, чтобы удержать атмосферу из тяжелых газов – прежде всего, кислорода, азота и углекислого газа – планета с атмосферой. В Солнечной системе всего 6 планет с атмосферой: Венера, Земля, Марс, Титан, Тритон и Плутон.

В) Планета, которая очень велика, может удержать атмосферу из легких газов – водорода и гелия. Поскольку водород и гелий составляют 99% вещества Солнечной системы, это означает, что планета будет почти полностью состоять из них. Такая планета называется газовым гигантом. Газовые гиганты Солнечной системы: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун.

Твердые (карликовые или большие) планеты – с атмосферой и без нее – можно далее классифицировать по составу. Самые распространенные твердые вещества в Солнечной системе – оксид кремния и водяной лед. Соответственно, те планеты, которые состоят в основном из оксида кремния (как Земля) называются силикатными, состоящие из водяного льда – ледяными, а состоящие из того и другого вперемешку – силикатно-ледяными. Газовые гиганты также можно классифицировать по составу: есть ли в их ядре сверхплотный металлический водород и гелий (у более тяжелых Юпитера и Сатурна он есть, у Урана и Нептуна - нет), является ли твердое ядро силикатным, ледяным или силикатно-ледяным.

Электромагнитные поля и радиация в Солнечной системе.

Вторая сила после гравитационной, которая играет большую роль в Солнечной системе – электромагнитная. Главный источник электромагнитных полей – само Солнце, которое состоит из заряженной плазмы. Все знают, что оно очень горячее, но большинство упускает из виду, что оно к тому же очень намагниченное. Солнце – это огромный загадочный мир разнообразных меняющихся, движущихся, появляющихся и исчезающих электромагнитных полей. Эти поля влияют на всю Солнечную систему, поскольку определяют параметры солнечного ветра. В те периоды, когда на Солнце происходят магнитные бури, солнечный ветер резко активизируется, поток частиц увеличивается.

Этот поток взаимодействует с магнитными полями планет. Каждая планета, имеющая ядро из электропроводящих материалов, благодаря его вращению обзаводится магнитным полем, которое может быть более или менее мощным. Напомним важный факт из школьного курса физики: магнитные поля взаимодействуют друг с другом по принципу сложения. Иначе говоря, одно магнитное поле просто проходит сквозь другое. Например, солнечное излучение проходит сквозь магнитные поля планет, никак их не замечая. А вот поток заряженных частиц – солнечный ветер – отклоняется и раскручивается магнитными полями планет и сам, в свою очередь, влияет на них. Во времена магнитных бурь поля планет вытягиваются в направлении от Солнца.

Если у планеты есть атмосфера и магнитное поле, то заряженные частицы, разгоняясь в магнитном поле, врезаются в верхние слои атмосферы и ионизируют ее, образуя ионосферу. Результат – такие красивые эффекты, как северные сияния, грозы, сполохи, и.т.п. Процессы в ионосфере планет, в свою очередь, влияют на их климат.

Радиация - это разрушительный поток элементарных частиц. Разрушительность радиации проявляется в том, что элементарные частицы набирают достаточно большую скорость и энергию. Радиация, вообще говоря, бывает 3-х видов:

1. Коротковолновое излучение: ультрафиолетовые лучи, рентгеновские-лучи, гамма-лучи, космические лучи (перечислены в порядке уменьшения длины волны). Это не что иное, как форма электромагнитного поля.

2. Поток заряженных частиц: электроны (бета-лучи), протоны, ионы гелия (альфа-лучи).

3. Поток незаряженных частиц (прежде всего, нейтронов).

В Солнечной системе распространена радиация первых двух видов, имеющая 3 источника:

Солнечная радиация - излучение и поток заряженных частиц (солнечный ветер). Она играет основную роль в Солнечной системе вплоть до орбиты Земли.
Солнечный ветер раскручивается и ускоряется в магнитных полях планет. Так возникают радиационные пояса планет. Самый впечатляющий и смертоносный радиационный пояс у Юпитера - например, на спутнике Юпитера Европе человек в космическом скафандре проживет не больше 10 минут.
Радиация, приходящая извне Солнечной системы - космические лучи и «галактический ветер».

Излучение хорошо задерживается твердыми металлическими телами (например, гамма-излучение - толстой свинцовой стеной), плохо - неметаллическими телами и жидкостями, совсем плохо - атмосферой планет. Хорошо задерживается коротковолновое излучение, плохо – длинноволновое. Например, коротковолновое излучение Солнца хорошо задерживается сверхплотной атмосферой Венеры, в атмосфере Земли его слегка задерживает лишь озоновый слой, а вот в атмосфере Марса (а тем более, Меркурия и Луны) его ничто не может остановить.

Солнечный ветер настолько мощен, что атмосфере его не задержать – например, сверхплотную атмосферу Венеры солнечный ветер прошивает насквозь, не говоря уже о слабеньких атмосферах других планет земной группы. Зато он задерживается магнитным полем. Давление солнечных лучей (магнитосфера Солнца) разгоняет солнечный ветер прочь от Солнца. Оно же разворачивает «галактический ветер» назад, хотя полностью развернуть его не удается. По мере удаления от Солнца «разворачивающая сила» слабеет, а «галактический ветер» усиливается. Сильнее всего он становится где-то за орбитой Плутона, где магнитосфера Солнца заканчивается.

Мощное магнитное поле Земли задерживает солнечный ветер - а вот Луна и Меркурий беспрепятственно бомбардируются ими, благодаря чему на их поверхности скапливается гелий. Слабое магнитное поле Марса задерживает солнечный ветер лишь частично, поэтому на поверхности Марса в небольших количествах тоже скапливается гелий. Тем более это относится к астероидам и объектам пояса Койпера.

Погода и климат в Солнечной системе.

Итак, основной экзогенный (внешний) фактор, действующий на планеты – излучение Солнца. Мощность этого излучения определяется солнечной постоянной, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния от Солнца до планеты. Часть излучения поглощается планетой, отчего она нагревается, часть – отражается обратно в пучину космоса. Чем светлее планета и чем более плотная у нее атмосфера, тем больше тепла отражается (и, соответственно, меньше поглощается). Процент отраженного солнечного излучения называется альбедо. Кроме того, тепло, отраженное в атмосферу, может быть поглощено ее газами – это т.н. парниковый эффект. Мощность парникового эффекта зависит от концентрации парниковых газов. Основные парниковые газы – углекислый газ и метан.

Таким образом, средняя температура планеты в первом приближении подчиняется формуле

где T – температура, M – мощность излучения Солнца, R – расстояние от Солнца до планеты, A – альбедо, P – вклад парникового эффекта. На самом деле, всё сложнее. Во-первых, волны разных длин отражаются от планеты по-разному (например, красная планета Марс больше всего отражает красные волны). Во-вторых, что куда важнее, средняя поглощенная энергия Солнца – это как средняя температура по больнице. Она не определяет даже равновесную температуру в недрах планеты. Ведь каждая планета участвует в двух периодических процессах: вращении вокруг Солнца и вращении вокруг своей оси – из-за чего поворачивается к Солнцу то одним, то другим боком.

Вращение вокруг оси определяет звездные сутки, которые в сочетанием с вращением вокруг Солнца определяют солнечные сутки – солнечный день и солнечную ночь. Если Z – продолжительность звездных суток, а G – продолжительность года, то за год планета успеет обернуться вокруг оси G/Z раз, но если планета вращается по накату, то количество солнечных суток будет на 1 меньше: G/Z – 1. Таким образом, продолжительность солнечных суток S определяется по формуле:

По этой же формуле можно определить период обращения родительской планеты в небе спутника. Для вращения против наката (как у Венеры и Урана) знак «минус» надо сменить на «плюс». Формула верна для круговой орбиты, а на эллиптической орбите длина солнечных суток меняется со временем. Если планета вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем вокруг родительской планеты (как, например, Земля, Марс и газовые гиганты), то солнечный день всего лишь чуть-чуть длиннее звездного. Но у многих планет эти периоды сравнимы (как, например, у Меркурия и Венеры), так что день может порой длиться дольше года. Кроме того, если собственное вращение спутника входит в резонанс 1:1 с обращением вокруг родительской планеты (приливные силы нередко порождают такой резонанс), то планетные сутки становятся бесконечными: родительская планета зависает неподвижно в небе спутника.

Если ось вращения планеты наклонена к плоскости ее обращения вокруг Солнца, а звездные (и значит, солнечные) сутки малы, на планете возникает смена времен года: весна, лето, осень, зима, снова весна… Зимой дни короче, а ночи длиннее, летом – наоборот. У планеты появляется северный и южный полярный круг – области, где в середине лета наступает полярный день с незаходящим Солнцем, а в середине зимы – долгая полярная ночь. Чем больше наклон оси планеты, тем больше размер северного и южного полярного круга. Но вообще-то наклон оси вращения (как и вращение против наката) – это аномалия, возникшая из-за метеоритной бомбардировки в период неустойчивости Солнечной системы. У большинства планет ось почти не наклонена, смены времен года нет, а Солнце лишь на полюсах висит круглый год над самым горизонтом.

Поверхность безатмосферных планет достаточно уныла и однообразна. Кроме двоякопериодического солнечного излучения, единственный экзогенный процесс, оживляющий эту поверхность – метеоритная бомбардировка. Да еще, если планета имеет богатый внутренний мир, ее поверхность меняется под действием эндогенных (внутренних) процессов – планетотрясений и извержений вулканов.

Иное дело – планеты с атмосферой. Атмосфера может состоять из нескольких различных газов (сухая атмосфера) и, кроме того, в ней могут присутствовать жидкости (влажная атмосфера). Под действием тепла – внешнего от Солнца или внутреннего от самой планеты – газы нагреваются, расширяются, меняют свою температуру и давление. От смены давлений возникает ветер: горизонтальные, восходящие и нисходящие потоки газа. Ветер переносит температуру и давление. Газы распределяются по плотности: более легкие газы улетают в верхние слои атмосферы, более тяжелые оседают внизу (а самые легкие улетают в космос, если тяготение планеты не в силах их удержать). Но восходящие и нисходящие потоки делают распределение газов по высоте отнюдь не таким простым и равномерным. Кроме того, газы могут вступать между собой в химические реакции, а скорость реакций, в свою очередь зависит от температуры и давления.

Таким образом, даже сухая атмосфера – это сложная нелинейная система. Как и в случае с течениями жидкости в недрах планет, эту систему можно рассматривать как гетерогенную. Количественные изменения параметров газа создают такие качественные явления, как теплые и холодные фронты (движущиеся массы газа, на границе которых происходит скачок температур), циклоны (области пониженного давления – воздух, стекаясь в эти области, закручивается силой вращения планеты, образуя вихри), антициклоны (области повышенного давления). Все эти феномены движутся, рождаются, сталкиваются, объединяются и распадаются – то есть, претерпевают качественные изменения. Состояние атмосферы, меняющееся со временем – это погода.

Однако, с точки зрения влияния на поверхность планеты, погода описывается несколькими простыми количественными параметрами: температурой, давлением (если несколько газов – парциальным давлением каждого газа) и скоростью ветра в каждой точке пространства-времени. Дело в том, что газообразная атмосфера (как и жидкий океан) – фрактальная иерархическая структура. Кроме того, газ (как и жидкость) по своей природе стремится усреднить себя, выровняться по температуре и давлению в каждом объеме. Именно поэтому, считая температуру в точке (реально – в некотором маленьком объеме), мы знаем, что она не сильно отличается от температуры в ее ближайшей окрестности. Поэтому погоду можно описывать количественными параметрами и усреднять по пространству-времени. Но это и означает, что для внешнего наблюдателя атмосфера гомогенна – ибо наблюдатель усредняет параметры атмосферы и получает лишь конечный набор чисел.

Сама процедура усреднения отнюдь не тривиальна. Например, посчитав среднюю температуру в течение солнечных суток, мы потеряем информацию о разнице температур днем и ночью; то же самое касается среднегодовой температуры. Имеет смысл производить усреднение по одним и тем же режимам освещенности Солнцем (т.е., экзогенным параметрам), чтобы понять истинную реакцию системы на внешние воздействия. Разумеется, для проведения усреднения нужна информация об иерархической структуре атмосферы. Но, взаимодействуя с атмосферой, мы по принципу «черного ящика» считаем ее гомогенной и потому истинной информации не имеем.

Более того, усреднение имеет смысл лишь в том случае, когда можно пренебречь турбулентными явлениями. Оно не поможет нам при предсказании погодных аномалий – смерчей, ураганов, наводнений, и.т.п. А уж при исследовании тектонических процессов усреднение вообще бесполезно, ибо в этом случае нам волнуют только аномалии – планетотрясения и извержения вулканов. Да и наблюдать мы можем только аномалии. Именно поэтому тектонические процессы не стоит даже пытаться описывать дифференциальными уравнениями гидродинамики.

Есть две качественные теории образования погодных аномалий. Обе теории сходятся на том, что первичным является поведение не усредненной атмосферы, а "малых особенностей" - вихрей и молекул воды. Согласно классической теории, сила Кориолиса (т.е., влияние вращения планеты на восходящие потоки воздуха) закручивает воздух в малые вихри (их малость связана с малыми флуктуациями плотности и скорости в атмосфере), которые взаимодействуют между собой, порождая тайфуны, смерчи, циклоны. При этом основную роль играет влажная атмосфера, которая переносит тепло, усиливая вихри. Согласно теории П.Н. Манташьяна, главный источник вихрей - молекулы воды во влажной атмосфере, которые раскручиваются магнитным полем. Качественную проверку этой теории в Солнечной системе произвести очень сложно - ведь, чем сильнее вращение планеты, тем сильнее её магнитное поле. Венера вращается очень медленно, почти не имеет магнитного поля - и тайфунов на ней нет. Земля и Марс вращаются чуть быстрее, их магнитные поля сильнее - поэтому для влажной атмосферы Земли характерны тайфуны, а для сухой пыльной атмосферы Марса - песчаные смерчи. Газовые гиганты вращаются очень быстро, имеют сверхсильные магнитные поля - и циклоны там очень мощные. Таким образом, качественное исследование вихрей не позволяет нам склониться к той или иной гипотезе. Возможно, точки над i расставит какая-то новая количественная теория.

Климат – это погода, усредненная тем или иным образом. Климат важен для нас, чтобы предсказать типичные погодные явления (к стихийным бедствиям он имеет лишь косвенное отношение). Исходя из сказанного выше, климат очень сложно определить по наблюдениям погоды. Это касается даже климата Земли – что уж говорить о климате других планет, для которых у нас есть очень мало наблюдений погоды! Более надежный путь – определять климат из самой структуры атмосферы и внешних воздействий на нее. Так можно выделить следующие типы климата (будем называть их по именам планет, на которых данный климат преобладает):

Марсианский тип климата – сухая атмосфера взаимодействует с каменной или ледяной поверхностью. Это взаимодействие не всегда гомогенно – ведь ветер может поднимать в воздух тучи пыли (для каменных планет) или снега (для ледяных), который, в свою очередь, можем влиять на нагрев атмосферы Солнцем, создавая различные гетерогенные структуры.
Венерианский тип климата – в атмосфере есть влажный слой, в котором существует жидкое вещество – например, вода, метан или серная кислота. Вещество может существовать в данном слое в трех состояниях: испаряясь, оно поднимается вверх, где конденсируется, образуя облака, и проливается дождем, снегом или градом. Таким образом, имеет место круговорот жидкости, который очень усложняет погоду, превращая атмосферу в гетерогенную систему. Теперь она уже является гетерогенной и для внешних взаимодействий – но не для взаимодействий с твердой поверхностью планеты, поскольку с ней влажный слой атмосферы не соприкасается. Под влажным слоем царит все тот же марсианский климат.
Юпитерианский тип климата – поверхность планеты покрывает глобальный океан из жидкости, с которым и взаимодействует влажная атмосфера. В жидкости тоже существует своя погода и свой климат. Однако, жидкий океан – более сложная, гетерогенная система, поскольку жидкость может носить в себе твердые вещества, растворять их, скреплять и образовывать устойчивые твердо-жидкие структуры. Понятно, что вещество глобального океана испаряется в атмосферу, участвуя в круговороте, и обменивается теплом с атмосферой. Таким образом, атмосфера и глобальный океан формируют единый климат.
Энцеладный тип климата (правильнее назвать его «европейским», но словосочетание «европейский климат» вызывает ненужные ассоциации – а внутри Энцелада глобальный океан еще вероятнее, чем внутри Европы) – тип климата, который мы уже подробно обсуждали в связи с вулканизмом. То есть, жидкий океан, который содержится внутри твердого тела, не соприкасаясь с атмосферой. Фактически, это упрощенный вариант юпитерианского климата.
Земной тип климата – самый сложный тип климата, содержащий все остальные как частные случаи: имеется влажная атмосфера, которая соприкасается с поверхностью и с океанами, и есть подземные озера, сообщающиеся с поверхностью. Таким образом, твердые, жидкие и газообразные вещества вблизи поверхности планеты образуют единую сложную систему.

Если у планеты вдобавок к атмосфере есть магнитное поле, то в ней, как уже было сказано, возникает ионосфера – своеобразный тип атмосферы, в которой газовое вещество соседствует и взаимодействует с веществом в состоянии плазмы. Ионосфера чувствительна к воздействию Солнца (излучению и солнечному ветру) и, в свою очередь, влияет на климат. Механизм этого влияния пока что загадочен и наукой до конца не понят. Например, во влажной атмосфере ионы могут притягивать к себе капельки, собирая облака, в сухой атмосфере могут провоцировать химические реакции. Так Солнце влияет на климат намагниченных планет. К примеру, достоверно известно, что на Земле солнечная активность связана с великими похолоданиями прошедших столетий.

Основные миры Солнечной системы.

Земля - не единственный сложный относительно изолированный мир в Солнечной системе. Иначе говоря, не единственная планета. Планет в Солнечной системе множество (как минимум, 26) – в частности, это спутники газовых гигантов; все они сильно отличаются друг от друга. Но большинство спутников еще мало изучено, поэтому мы рассмотрим их очень кратко.

Общее описание.

Миры Солнечной системы можно условно разделить на 4 группы:

1. Солнце - желтая звезда.

2. Планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс) - силикатные планеты с раскалённым ядром.

3. Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) – газообразные планеты с ядром из жидкого и, возможно, металлического водорода и гелия.

4. Спутники газовых гигантов (Ио, Европа, Ганимед, Каллисто, Титан, Тритон, и.т.п.) – холодные ледяные и силикатно-ледяные планеты.

Также их можно классифицировать по степени доступности для освоения:

1. Солнце и Юпитер можно исследовать автоматическими аппаратами - но из-за большой силы их тяготения аппараты, которые попадут в их атмосферу, уже не вернутся назад. Соответственно, их промышленное освоение невозможно. Присутствие человека вблизи этих тел тем более невозможно из-за сильной радиации.

2. Меркурий, Луну, Сатурн, Уран, Нептун и спутники газовых гигантов (а также, заметим, и астероиды) можно использовать для добычи ископаемых и научных исследований. Но заселение их человеком бесперспективно: Меркурия - из-за больших перепадов температур, газовых гигантов – из-за бескислородной атмосферы, их спутников - из-за холода, Луны - из-за отсутствия атмосферы и воды.

3. Венеру, Землю и Марс может и должен осваивать человек.

Солнце

Солнце – вполне заурядная звезда (жёлтый карлик спектрального класса G), таких в нашей Галактике сотни миллионов, если не миллиарды. Но в Солнечной системе оно занимает особое положение, благодаря своей массе и излучению. Главные отличия Солнца от других тел системы – гравитация, равная на границе Солнца нескольким сотням g (из-за нее солнечное вещество спрессовано достаточно плотно) и температура - на границе она составляет несколько тысяч градусов.

Температура Солнца слишком велика для существования вещества в твердом, жидком или газообразном состоянии. Скорость движения молекул так велика, что они, сталкиваясь друг с другом, разлетаются на отдельные атомы – элементы таблицы Менделеева. Столкновения срывают с атомов электронные оболочки, так что остаются только положительно заряженные атомные ядра и отрицательно заряженные электроны – это и есть вещество в состоянии плазмы. Ближе к центру Солнца, где температура еще выше, атомные ядра тоже могут разлетаться на кусочки от столкновения или, наоборот, сливаться – то есть, происходят термоядерные реакции. Согласно современным научным теориям, термоядерные реакции – это главная причина высокой температуры в ядре Солнца.

Ядро окружено областью лучевого переноса – самой тихой и спокойной областью, в которой происходит перенос энергии из центра Солнца наружу за счет направленного электромагнитного излучения. За областью лучевого переноса находятся самые бурные и непонятные области Солнца – конвективная область, фотосфера, хромосфера и солнечная корона. Во всех этих областях происходят процессы:

распространения электромагнитного излучения (потока фотонов)
поднятия нагретой плазмы вверх
опускания плазмы вниз за счет гравитации
разгона плазмы и ее полета за счет электромагнитного поля

Границы между этими областями весьма размыты и неопределенны. Они отличаются лишь преобладающими процессами:

в конвективной области в основном происходит поднятие горячей плазмы вверх и опускание холодной вниз; кроме того, в ней формируется глобальное магнитное поле (магнитосфера Солнца), которое раз в 11 лет меняет полюса и раз в 22 года возвращается к прежнему состоянию
в фотосфере – излучение (которое долетает и до Земли – именно яркую желтую фотосферу Солнца мы видим на небе); оно весьма неоднородно – и на Солнце есть пятна
в хромосфере – выбросы отдельных языков плазмы: факелов, флокул и протуберанцев; под действием силы тяжести большинство из них падает обратно в конвективную область, пробивая тоненькую фотосферу
в солнечной короне – разгон солнечного ветра, улетающего за пределы Солнца.

Таким образом, в конвективной области, фотосфере и хромосфере – некоторые неправильно называют эту зону «атмосферой Солнца» - формируется «солнечный климат», совсем непохожий на процессы в атмосферах планет. Что собой представляют факелы, флокулы, протуберанцы, пятна и прочая странная живность, существующая в «атмосфере» Солнца? Этого мы точно сказать не можем, поскольку эти системы – гетерогенные, состоящие из разнородных элементов таблицы Менделеева и электромагнитных полей, поведение которых мы точно предсказать и смоделировать не в состоянии. Они, безусловно, влияют на нас, поскольку определяют параметры солнечного излучения и солнечного ветра, который долетает до самого пояса Койпера. Кроме того, локальные магнитные поля, порождаемые факелами, флокулами и протуберанцами, влияют на мощнейшую магнитосферу Солнца, простирающуюся до орбиты Плутона. А вот мы повлиять на них, а значит, и исследовать их, не в состоянии. Может ли это быть формой жизни, существующей на Солнце? Неизвестно.

Луна

Луна – небольшая безатмосферная планета, история которой тесно связана с историей Земли. Считается, что Луна когда-то откололась от Земли, а позже значительно повлияла на ее геологическую эволюцию. Собственное вращение Луны входит в резонанс 1:1 с ее вращением вокруг Земли. Поэтому она всегда повернута к Земле одной стороной – Земля почти неподвижно висит в одной точке лунного неба. Поэтому сутки на Луне продолжаются чуть дольше лунного месяца – примерно 29,5 земных суток. Лунный год, разумеется, равен земному. Времена года есть, но выражены слабее, чем на Земле.

На Луне нет магнитного поля и атмосферы, поэтому солнечный ветер и радиация беспрепятственно достигают ее поверхности. Частицы солнечного ветра врезаются на огромной скорости в поверхность Луны и частично застревают в ней. Поэтому в почве Луны имеются большие запасы гелия (в том числе, гелия-3). Поскольку на Луне нет атмосферы, смягчающей климат, перепады температур там серьезные: в течение суток – от -130 до +110 градусов со средней температурой в -20 градусов.

Как и у других планет земной группы, у Луны есть подповерхностная магма, периодически вызывающая лунотрясения. Но планета маленькая, и магмы очень мало (видимо, она существует лишь в виде локальных озер). Раньше Луна была горячее, магмы - больше, и тектонические процессы на Луне протекали активнее. Об этом свидетельствуют большие перепады высот между морями и материками и залитая базальтовой магмой ровная поверхность морских бассейнов.

Сейчас лунотрясения слабы, а извержения базальтовых вулканов отсутствуют, хотя есть газовые гейзеры. Поверхность Луны неподвижна и безжизненна, единственное, что оживляет ее – падение метеоритов. Метеориты падают очень редко – камни на поверхности планеты могут лежать неподвижно сотни миллионов лет. Но за миллиарды лет существования Луны на нее упало множество метеоритов, образовавших фрактальную сеть кратеров. Большие кратеры перекрываются кратерами поменьше, те – еще более маленькими, и.т.п. Самые маленькие метеоритики взрыхлили почву Луны, превратив ее в реголит – плотное скопление камешков. Реголит очень плохо проводит тепло, поэтому уже на глубине нескольких метров царит постоянная температура около -20 градусов.

На полюсах Луны полярный день с низко висящим над горизонтом Солнцем чередуется с полугодовой полярной ночью. Считается, что в районе полюсов в глубоких ущельях, в которые не проникает свет полярного дня, есть небольшие запасы воды в виде льда.

Меркурий

Меркурий по многим параметрам похож на Луну – но гипертрофированную, у которой все особенности проявляются сильнее, чем у Луны. Вращение Меркурия вокруг своей оси входит в резонанс 2:3 с его вращением вокруг Солнца (раньше астрономы считали, что резонанс 1:1, но позже выяснилось, что они ошибаются). Видимо, причина этого - приливное воздействие близкого Солнца. Поэтому год на Меркурии продолжается порядка 88 земных суток, а солнечные сутки (день и ночь) – в 2 раза дольше, порядка 176 земных суток. Ось Меркурия почти не наклонена к орбите, поэтому смены времен года на нем нет.

Как и Луна, Меркурий – безатмосферная планета. Перепады температуры на Меркурии еще больше – от -200 до +450 градусов на экваторе. Уровень солнечной радиации еще выше, поскольку Меркурий – самая близкая к Солнцу планета. Хотя он и имеет слабое магнитное поле, оно на таком расстоянии от Солнца совсем не спасает. Запасы гелия в почве, вероятно, больше. Тектонические процессы несколько сильнее – на Меркурии есть вулканы и периодически происходят меркуриотрясения. Интересная особенность – впадины и вспучивания, возникшие от приливного воздействия Солнца. Однако, основная форма рельефа, как и на Луне – метеоритные кратеры. Меркурианский реголит, как и лунный, плохо проводит тепло, поэтому на глубине нескольких метров царит постоянная температура +70-+90 градусов. У Меркурия очень тонкая кора – то ли из-за высокой температуры, то ли некогда, в пору нестабильности, с него сорвало кору грандиозное столкновение планет. Поверхность планеты покрыта полосами из непонятного белого вещества.

На полюсах Меркурия, где Солнце всегда висит на уровне горизонта, как предполагается, есть зоны вечного дня – возвышенности, и зоны вечной ночи – впадины и ущелья. В зонах вечной ночи могут существовать запасы воды в виде льда.

Венера

Венера – довольно крупная планета земной группы, по геологическому строению похожая на Землю. Диаметр Венеры - 95% диаметра Земли, масса - 81,5 % массы Земли, ускорение силы тяжести 0,9 g (90% земной силы тяжести). Однако, если раньше (миллиарды лет назад) она, как и Земля, была тектонически очень активна и покрыта извергающимися вулканами, то сейчас ее недра затихли. Поэтому поверхность Венеры - довольно однообразная, без выдающихся возвышений и впадин, покрытая потоками базальтовой лавы и метеоритными кратерами. На Венеру не действуют приливные силы, и потому ее вулканизм устроен более просто, чем земной. Видимо, когда-то все вулканы Венеры извергались одновременно, а сейчас они все одновременно затихли.

Несмотря на кажущееся сходство недр Венеры и Земли, у Венеры почему-то нет своего магнитного поля - видимо, причина в её медленном вращении. Поэтому нет и ионосферы. Однако, как и на Земле, есть литосферные плиты. Но, в отличие от Земли, эти плиты всегда были неподвижны - внутренней энергии планеты недостаточно, чтобы их сдвинуть. Поэтому рельеф, скорее, холмистый, чем гористый - нет горных хребтов, хотя есть ущелья.

Ученые утверждают, что движение литосферных плит играет решающую роль в карбонно-силикатном цикле, в котором в атмосферу выделяется углекислый газ. В свою очередь, вода поглощает углекислый газ. Несмотря на неподвижность литосферных плит Венеры, воды на ней оказалось так мало, что углекислого газа в ее атмосфере – огромное количество, гораздо больше, чем на Земле. Атмосфера очень плотная, ее давление у поверхности – порядка 90 земных атмосфер. В чём причина такого коренного отличия Венеры от Земли? Возможно, в отсутствии магнитного поля: из-за этого солнечный ветер сдувает водяной пар и лёгкие газы из атмосферы, оттого и мало воды.

Венера вращается в обратном направлении (по часовой стрелке, если смотреть с северного полюса) с периодом 243 земных суток. Такой медленный период, возможно, связан с тормозящим приливным действием Солнца (на Меркурий оно действует сильно, на Венеру - слабо, а Землю уже не достаёт). Орбитальный период Венеры - 225 суток; поэтому венерианские солнечные сутки длятся 116 земных суток. Ось планеты практически не наклонена, поэтому смены времен года на ней нет. Да и в течение суток погода меняется слабо, благодаря очень плотной атмосфере. Воздушная оболочка Венеры, богатая углекислым газом, создает мощнейший парниковый эффект, задерживая солнечное тепло – поэтому температура на поверхности Венеры всегда колеблется в районе +470 градусов Цельсия. Температурные различия между полюсами и экватором также минимальны.

Вообще, на поверхности Венеры практически никогда ничего не меняется (несмотря на высокую температуру). Вечная жара и неподвижная духота, днем – слабое свечение желтоватых облаков, покрывающих всё небо (как в пасмурную погоду на Земле), ночью – тьма. В этом отношении Венера похожа на газовых гигантов: на поверхности у нее сухой однообразный климат марсианского типа, а все активные процессы протекают в верхних слоях атмосферы.

Атмосфера Венеры состоит из углекислого газа с небольшой примесью азота, кислорода и водяного пара. В облачном слое сформировался своеобразный венерианский климат. Желтые облака состоят из серной кислоты и других кислот с очень небольшой примесью воды. Откуда взялось столько кислот? Это ещё одна венерианская загадка. Возможно, кислоты выделились при извержении вулканов, но не было воды, которая растворила бы их и унесла бы под поверхность.

Верхний край облаков удален от поверхности на 90 км, температура там порядка -70 градусов Цельсия; нижний край – на 30 км, температура около +160 по Цельсию. Впрочем, мощный основной слой облаков располагается на высоте 45-65 км. Температура и давление в основном облачном слое вполне сравнимы с земными. Еще ниже так жарко, что облаков нет (разумеется, на поверхности Венеры нет жидкой воды). Атмосфера Венеры на уровне облачного слоя вращается в том же направлении, что и поверхность планеты, но значительно быстрее, совершая оборот за 4 суток (эффект суперротации). Это означает, что в облачном слое бушует вечный ураган, дующий в одном направлении (причина этого неизвестна). На полюсах он создаёт огромные вихри. Кроме того, из облаков постоянно бьют молнии. На вершинах венерианских гор лежат шапки из металлического «снега» - возможно, они и притягивают грозы.

Земля

Земля – 3-я от Солнца и самая большая планета земной группы. Большей частью, она состоит из кремния, железа и тяжелых металлов и окружена атмосферой из азота, кислорода и углекислого газа.

Благодаря размерам, Земля обладает активным раскаленным жидким слоем и сильным магнитным полем. Под земной корой находится жидкая астеносфера (верхняя мантия), затем твёрдая нижняя мантия, затем жидкое внешнее ядро и твёрдое внутреннее ядро. Видимо, быстро вращающееся внешнее ядро и порождает магнитное поле. Жидкая мантия Земли порождает самую сильную тектоническую активность среди силикатных планет Солнечной системы. До сих пор продолжаются землетрясения, извержения вулканов и образование гор.

Более того, благодаря тонкой коре, на Земле возможны горизонтальные движения плит. Одно время сторонники движения плит, «мобилизма», даже считали, что вертикальными геологическими процессами можно пренебречь. Но теперь ясно, что вертикальные процессы – извержения, подъемы и опускания - все же являются основными на всех силикатных планетах. Горизонтальные движения, столкновения и раздвигания плит дополняют вертикальные движения, объединяя кору Земли в единую геологическую систему. Наиболее распространенные и мощные на Земле – базальтовые вулканы, но есть также грязевые вулканы, гейзеры и даже гидровулканы в пустынях Казахстана, извергающие чистую воду.

Из-за атмосферы и магнитного поля солнечная радиация доходит до поверхности Земли в очень ослабленном виде. Магнитное поле создает ионосферу и сильные электрические заряды. Эти заряды создают множество загадочных явлений в атмосфере Земли. Кроме банальных гроз, это шаровые молнии, «спрайты» (очень широкие вспышки света, спускающиеся из верхних слоев атмосферы), «синие струи» (бьющие вверх из облаков), полярные сияния, «эльфы» (сияющие облака, спускающиеся вниз), и.т.п. Вероятно, многочисленные "наблюдения НЛО" большей частью объясняются этими природными явлениями.

Земной год продолжается чуть больше 365 земных суток, ярко выражена смена времен года. Благодаря атмосфере, перепады температур невелики. Суточные перепады температур – порядка 5 градусов, годовые – порядка 30 градусов. Средняя температура поверхности - +15 градусов (из них примерно 40 градусов – вклад парникового эффекта). В верхних широтах большую роль играет смена времен года, на экваторе же царит постоянная температура +20 - +30 градусов.

Земля имеет огромные запасы воды – в основном, в жидком виде. Считается, что так много воды на ней скопилось в результате бомбардировки ледяными астероидами и/или кометами в фазу неустойчивости Солнечной системы. Впрочем, вода во всех 3 состояниях активно участвует во всех процессах на поверхности Земли и непосредственно под поверхностью. Круговорот воды в земной природе создает влажную атмосферу и сложный климат земного типа с дождями, туманами, снегами и градами. Осадки, водные потоки, ветра и перепады температур разрушают земные горы, но вулканическая деятельность создает их вновь. Вода в твердом виде образует ледяной покров приполярных областей, который расширяется зимой и уменьшается летом.

Марс

Из всех планет Солнечной системы Марс больше всего напоминает Землю - но он куда более необычен и загадочен. Достаточно сказать, что мы до сих пор не знаем: есть ли на Марсе водоемы с жидкой водой, или водоемы с жидкой углекислотой, или даже и то, и другое. Он удален от Солнца примерно в полтора раза дальше, чем Земля, и получает чуть меньше солнечного тепла. День на Марсе немного короче земного, год – больше чем в 2 раза длиннее земного. Наклон марсианской оси к орбите близок к земному, поэтому времена года на Марсе похожи на наши (осень, зима, весна и лето длятся в 2 раза дольше).

Геологически Марс похож на Землю, только слой осадочных пород у него гораздо тоньше – в основном, планета покрыта оксидами металлов, из-за которых получила красноватую окраску. Прошлое Марса, видимо, было бурным. Он пережил несколько всплесков тектонической активности, которые сформировали контрастный рельеф с глубокими впадинами и высочайшими вулканами в Солнечной системе высотой более 20 км (их вершины уходят в стратосферу). Однако, в отличие от Земли, горизонтального движения плит на Марсе нет и, скорее всего, никогда не было (если и было, то слабое). Поэтому, в отличие от Земли, на Марсе нет линейных горных хребтов. Есть лишь вулканические нагорья Фарсида и Элизий, а также круговые хребты вокруг метеоритных кратеров.

Северное полушарие Марса - большой морской бассейн. Есть версия, что он появился в результате падения гигантского небесного тела. Рельеф северного полушария похож на земной: те же горы, долины, впадины, холмы, ущелья, дюны и ледники - но с большими перепадами высоты. Южное полушарие - материковое, его рельеф похож, скорее, на лунный: весь Марс южнее экватора покрыт метеоритными кратерами. Крупнейшие кратеры: Эллада, Исида и Аргир. Между северным и южным полушарием находится огромная трещина – гигантский каньон, называемый долиной Маринера.

У Марса два спутника – малые тела Фобос и Деймос диаметром в несколько километров. Фобос находится на высоте всего 7000 км, где испытывает трение об атмосферу Марса. Под воздействием этого трения он постепенно приближается к Марсу; через несколько миллионов лет он разрушится приливными силами, попав в предел Роша, и большая часть обломков упадет на Марс. Есть теория, что был когда-то и третий спутник Танатос – его обломки, упав на Марс, вызвали грандиозную геологическую катастрофу. Возможно, в результате нее планета потеряла большую часть атмосферы и образовался морской бассейн северного полушария. Во всяком случае, геологическую асимметрию Марса можно объяснить лишь астрономической катастрофой, поскольку никакие приливные силы на него никогда не действовали.

В периоды активных вулканических извержений Марс нагревался. Видимо, в такие периоды на его поверхности были океаны жидкой воды и достаточно плотная атмосфера. Сейчас его атмосфера в 100 раз более разрежена, чем земная, а средняя температура -53 градуса Цельсия (только днем в районе экватора она бывает выше 0). Из-за разреженной атмосферы поверхность Марса подвергается воздействию довольно сильной солнечной радиации.

Магнитное поле на Марсе слабое и, в отличие от земного, оно порождено не центральным ядром, а локальными приповерхностными озерами магмы. Поэтому на Марсе не единое магнитное поле, как на Земле, а множество магнитных "карманов". Они задерживают солнечный и космический ветер и создают ионосферу, тоже не очень сильную. Однако, значительная доля солнечного ветра долетает до поверхности планеты. Солнечный ветер сдувает атмосферу, так что она становится все более разреженной.

Из-за разреженной атмосферы жидкой воды на поверхности Марса нет (неизвестно, есть ли она под поверхностью). Климат сухой, марсианского типа. Ледники полярных шапок, состоящие изо льда и твердой углекислоты, при нагревании испаряются, образуя водяной пар. Небо почти безоблачно, лишь изредка на нем появляются облака трёх цветов: белые водяные, синие углекислотные и рыжеватые, состоящие из пыли. Из водяных облаков может выпасть снег.

Часто дуют ветры, создавая смерчи и пыльные бури – порой эти бури внезапно охватывают всю планету. В воздух поднимается мельчайшая пыль с большим содержанием металла, создавая огромные заряды статического электричества, которые могут вызвать грозы. Эта наэлектризованная пыль влияет на погоду, охлаждая атмосферу и создавая эффект «маленькой ядерной зимы».

Юпитер

Юпитер – самый большой газовый гигант, имеющий много общего с Солнцем. Как и Солнце, Юпитер имеет внушительную свиту планет-спутников (самые крупные из них – галилеевы луны Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). В недрах Юпитера, как и у Солнца, происходят радиоактивные процессы, разогревающие его. Впрочем, излучение Юпитера гораздо слабее излучения Солнца.

Состав Юпитера также близок к составу Солнца: водород, гелий и небольшие примеси других газов. Однако, Юпитер гораздо холоднее, поэтому на нем есть и составные химические вещества – прежде всего, метан и аммиак, а также множество разнообразных углеводородов, соединений серы, и.т.п.. Юпитер состоит из очень мощной газовой атмосферы, гидросферы из жидкого водорода и ядра из жидкого металлического водорода в смеси с металлическим гелием, под которым находится совсем маленькое (в несколько раз больше Земли) силикатное ядрышко. В металлическом ядре происходят сложные нелинейные магнитогидродинамические процессы. Оно вращается, создавая мощнейшее магнитное поле (поскольку металлический водород-гелий проводит электричество!) – это поле, искривляемое солнечным ветром, простирается вдаль от Солнца вплоть до орбиты Сатурна.

В верхних слоях атмосферы постоянно бушуют грандиозные бури и ураганы (с циклонами, размеры которых нередко больше размеров Земли). На Юпитере нет времен года, да и день ненамного отличается от ночи – из-за очень быстрого вращения планеты сутки продолжаются по 10 часов и атмосфера даже не успевает нагреться или остыть. Смены времен года нет. Вообще, тепло, поступающее от далекого Солнца, играет небольшую роль в жизни Юпитера. Основная сила, вызывающая ураганы и смену погоды – внутреннее тепло планеты.

На Юпитере, как и на Венере и на других газовых гигантах, есть эффект суперротации – чем выше слой атмосферы, тем быстрее он вращается. При этом, если на Земле ураганы быстро затухают из-за трения о поверхность планеты, то на Юпитере (как и в верхних слоях атмосферы Венеры) им не обо что тереться, так что они могут продолжаться многие годы. Известный пример – устойчивый циклон Большое Красное Пятно шириной в 2 диаметра Земли, который держится на одном месте несколько столетий. В 2002 году Большое Красное Пятно столкнулось с Большим Белым Овалом, проглотило его, от съеденного слегка побелело, но затем вновь покраснело. Закономерности этих бурь и сопровождающие их химические реакции практически не изучены. Кстати, Солнце все-таки влияет на юпитерианский климат, поскольку его ультрафиолетовое излучение ускоряет реакции. Порой случаются и грозы, и сложные процессы в ионосфере.

Температура и давление в атмосфере Юпитера довольно быстро увеличивается с ростом глубины. Поэтому в верхнем слое атмосферы толщиной всего около 50 км сложился климат очень сложного венерианского типа: разнообразные химические вещества существуют в твердом, жидком и газообразном состоянии, участвуют в круговоротах и образуют разноцветные облака: белые, красные, оранжевые, желтые, коричневые, голубые… Атмосфера Юпитера – буйство красок, в котором все же преобладает оранжевый цвет. Химические вещества, разумеется, распределились по высоте, образовав несколько слоев атмосферы. В верхнем слое – белые облака аммиака, затем – оранжевые облака, то ли из соединений фосфора, то ли серы, то ли органических соединений, затем – красно-коричневые облака гидросульфида аммония, затем – белые водяные облака. Есть ли в нижнем слое жидкая вода? Вопрос остается открытым.

Впрочем, даже если в атмосфере Юпитера есть вода и сложные органические вещества, там вряд ли зародится сложная белковая жизнь. Магнитное поле Юпитера раскручивает с бешеной скоростью ионы серы, натрия и калия, которые выбрасывают в космос вулканы ближнего спутника Ио. В результате, в окрестностях Юпитера – мощнейшие радиационные пояса. Самый мощный начинается в верхних слоях атмосферы и простирается до 300 тыс. км. Таким образом, на Юпитере и в его окрестностях - очень высокий уровень радиации, который препятствует возникновению химически сложной жизни и является смертельной угрозой для будущих земных экспедиций.

Под грозовым и ветреным облачным слоем находятся более спокойный, хотя и тоже ветреный, слой атмосферы из водорода и гелия. На глубине порядка 1000 км – там, где давление достигает тысяч атмосфер, а температура 6000 градусов – находится кипящий океан из жидкого водорода. Точную его верхнюю границу установить сложно, поскольку непонятно, где заканчивается жидкость и начинается газ. Таким образом, в глубине Юпитера сложился очень своеобразный юпитерианский климат с глобальным океаном. Несмотря на влажную атмосферу, этот климат устроен достаточно просто и представляет собой нелинейную гомогенную систему. В кипящем океане жидкий водород превращается в газообразный, создавая восходящие потоки, на высоте конденсируется и опускается обратно в нисходящих потоках. Быстрые ветры дуют с запада на восток благодаря эффекту суперротации, снося эти потоки в сторону. В океане, соответственно, возникают волны и течения вдоль параллелей. В 1994 году в этот горячий туманно-ветреный кипяток упала огромная комета Шумейкера-Леви, вызвав гигантское цунами, но океан быстро успокоился.

Вообще, Юпитер играет большую и важную охранительную роль в Солнечной системе: он выбрасывает большинство комет за пределы пояса планет земной группы или (реже) притягивает к себе, благодаря чему они не подвергаются столь мощным бомбардировкам, как в ранние эры Солнечной системы. Вероятно, из-за разрушительного влияния Юпитера в поясе астероидов так и не образовалась большая планета, а образовалось множество маленьких.

Спутники Юпитера образуют достаточно сложную систему из трех зон: кольца Юпитера, большие спутники Юпитера: галилеевы луны Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, - и дальние маленькие спутники. Все галилеевы луны подвергаются мощному приливному воздействию Юпитера, которое заставило их повернуться к планете одной стороной, постоянно сжимает и растягивает их, разогревая их недра – однако же, не разрушает. Вокруг больших спутников и в устойчивом резонансе с ними крутится всяческая мелочь.

Ио

Ио – маленькая силикатная безатмосферная планета, крутящаяся вокруг Юпитера очень близко от него. Так близко, что приливное воздействие гиганта разогревает ее недра, заставляя почти непрерывно извергаться несколько сотен вулканов на поверхности планеты. На поверхности Ио должен был царить стоградусный мороз – но вместо этого непрекращающиеся извержения и потоки каменно-серной лавы местами разогревают ее поверхность до нескольких сот градусов выше нуля. Вероятно, из-за этого силикатно-ледяная планета превратилась в чисто силикатную – весь лед испарился, и маленькая планета не смогла удержать пар.

Если быть точным, у Ио есть атмосфера: вулканы извергают облака диоксида серы, атомного кислорода, ионов натрия и калия, которые клубятся вокруг планеты, но не в силах удержаться, улетают в космос, где их подхватывает магнитосфера Юпитера, создавая мощный пояс радиации. В этом поясе и находится Ио, создающая с гигантом смертельно опасный тандем, Европа и Ганимед.

Поверхность Ио, как и у Венеры, оранжевая от серы и гладко-холмистая, она непрерывно обновляется, заливаясь базальтовой лавой, и напоминает христианские описания ада. Улетающая атмосфера так слаба, что о климате говорить не приходится. Внутренние процессы влияют на состояние Ио гораздо сильнее, чем внешние (если не считать магнитосферы Юпитера).

Европа и Ганимед

Европа и Ганимед – похожие друг на друга безатмосферные силикатно-ледяные планеты, вторая и третья галилеева луна. Притяжение Юпитера также вызывает в них мощные приливные эффекты, разогревающие недра. Поэтому Европа и Ганимед, как и Ио – тектонически-активные планеты, на которых время от времени происходят европотрясения, ганимедотрясения и извержения вулканов. Но Европа и Ганимед состоят большей частью изо льда. Поэтому их вулканизм сильно отличается от вулканизма каменной Ио или, например, Земли. Кора Европы и Ганимеда - не каменная, а ледяная.

У Европы кора слабенькая, толщиной в несколько десятков километров. Ее магма – глобальный соленый океан жидкой воды глубиной 100 км, в котором сформировался энцеладный климат. Океан нагревается приливами до температур, вполне допускающих существование белковой жизни. Океан Европы проводит ток и образует своеобразное магнитное поле, наведенное магнитным полем Юпитера.

Вулканы Европы – водяные и чаще всего щелевые, то есть, это трещины, из которых выплескивается соленая вода, растекается и довольно быстро застывает. Благодаря криовулканизму, поверхность Европы – довольно ровная, испещренная сложной сетью трещин и состоящая из светлого молодого льда. Лишь в некоторых местах падение метеоритов с последующим расплавлением льда создало сложные ледяные нагромождения и кратеры. На Европе существует горизонтальное движение плит – вообще, для ледяных планет оно куда более характерно, чем для силикатных, ибо льду проще двигаться по воде, чем камню – по магме.

Ганимед – самый большой спутник Юпитера, по размеру примерно равный Меркурию. Его криовулканизм слабее, чем у Европы, и поэтому ледяной слой Ганимеда более старый и грязный (лед со временем загрязняется от падения метеоритов). Кора у Ганимеда толще, а внутренний слой воды, видимо, тоньше, причем вода находится под большим давлением и температурой много ниже нуля (что делает маловероятной белковую жизнь на Ганимеде). Однако – может быть, из-за большого размера планеты – горизонтальное движение плит на Ганимеде выражено ярче, чем на Европе, а магнитное поле намного сильнее. Впрочем, и оно совершенно не спасает его от радиации мощной магнитосферы Юпитера.

Ио, Европа и Ганимед образуют очень своеобразный устойчивый резонанс. Отношение их периодов вращения – 1:2:4, но они не сбивают друг друга с орбит, потому что образуют периодически возникающие треугольники с Юпитером. Несмотря на устойчивость этого резонанса, он порождает дополнительные приливные силы, которые, вдобавок к приливным силам Юпитера, раскачивают эти 3 планеты.

Каллисто

Каллисто – самая далекая от Юпитера галилеева луна. Поэтому смертоносное магнитное поле Юпитера на ней слабее всего, да и приливное воздействие гиганта почти не проявляется. Геологически это очень спокойная планета, на ней даже не обнаружено никаких следов вулканизма. Поэтому в этой силикатно-ледяной планете нет дифференциации вещества – камни и лед в ней перемешаны. Поверхность Каллисто весьма напоминает поверхность Луны или Меркурия, но она не серая, а черно-белая, каменно-ледяная.

Несмотря на слабую геологическую активность, у Каллисто есть глубокий-глубокий подледный океан. Есть и магнитное поле, порожденное океаном.

Сатурн

Сатурн во многом похож на Юпитер. Это газовый гигант в 2 раза меньше Юпитера с водородно-гелиевой атмосферой, под которой находится глобальный водородный океан, затем слой металлического водорода-гелия, создающий магнитное поле, затем – силикатное ядро. Плотность Сатурна меньше, чем у Юпитера, потому что масса, а значит, и тяготение меньше. Сатурнианский день также продолжается около 10 часов, но на Сатурне есть еще и времена года (год длится больше 29 земных лет).

Атмосфера Сатурна напоминает по составу атмосферу Юпитера, но в ней почему-то меньше гелия. Кроме того, внутренний источник нагрева у Сатурна сильнее – некоторые ученые считают, что дополнительным источником тепла является тот самый гелий, выпадающий в осадок от холода. Внутреннее тепло играет даже большую роль в сатурнианской погоде, чем внешнее тепло от Солнца.

Из-за того же холода аммиачные облака на Сатурне мощнее, чем на Юпитере, поэтому планета выглядит более светлой. Атмосфера – также многослойная со сложным климатом венерианского типа и теми же слоями (сверху вниз): слабенькие метановые облака, аммиак, соединения серы, гидросульфид аммония и вода. Сатурн примечателен загадочным циклоном в форме правильного шестиугольника на летнем полюсе (в данный момент, на южном). Возможно, на Юпитере такой странной шестиугольной штуковины нет, потому что нет смены времен года. Вопрос о жидкой воде на Сатурне, как и на Юпитере, остается открытым. Ураганы в атмосфере Сатурна по непонятным причинам дуют куда быстрее, чем на Юпитере (возможно, это связано с дополнительным источником тепла в недрах планеты). Эти ураганы и вызванное ими трение аммиачных облаков вызывает лет грозы - самые мощные в Солнечной системе. Эти грозы происходят редко, но каждая бушует несколько месяцев, или даже лет.

Магнитное поле Сатурна слабее, чем у Юпитера, и отсутствует такой мощный источник заряженных частиц, как вулканы Ио. Поэтому уровень радиации в окрестностях Сатурна куда меньше. Так что, если в атмосфере Сатурна есть жидкая вода и сложные органические вещества, то вполне возможна и белковая жизнь – правда, только лишь такие формы жизни, которые могут обходиться без света и кислорода. А маленькая «солнечная система», которую образует Сатурн со спутниками, куда более дружелюбна и пригодна для освоения.

Сатурн обладает самой большой и впечатляющей системой спутников, а также самыми мощными и красивыми кольцами. Кроме обычных малых внутренних спутников, которые тесно связаны с грандиозными кольцами Сатурна, и малых внешних спутников, вокруг него вращаются 7 больших планет: Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан и Япет. В довершение всего, Тефия имеет маленьких спутников-троянцев: Калипсо и Телесто, Диона - маленького спутника-троянца Елену, а Япет – маленького спутника-троянца Фебу. В составе колец и спутников Сатурна больше аммиака, чем на Юпитере – возможно, это как-то связано с более высокими аммиачными облаками и меньшим притяжением Сатурна.

Мимас

Спутник Сатурна Мимас – самая маленькая планета Солнечной системы. Это крошечная ледяная безатмосферная планета диаметром всего в 300 км – минимальный диаметр, достаточный для того, чтобы ледяное тело приняло шарообразную форму. Скорее всего, этого недостаточно для разогрева недр планеты. Поэтому Мимас занимает промежуточное положение между настоящими планетами и малыми телами – он уже круглый, но еще не имеет собственной внутренней жизни. Впрочем, и шарообразная форма его весьма относительна: находясь близко к огромному Сатурну, Мимас, несмотря на чистую орбиту, подвергается непрестанным бомбардировкам, которые покрыли его поверхность множеством огромных кратеров. Самый большой из них – кратер Гершеля диаметром 130 км – делает его похожим на шарик для пинг-понга с продавленным боком (или на Звезду Смерти из «Звездных войн»). Вполне возможно, что мы поторопились объявлять Мимас планетой и его, скорее, стоит отнести к малым телам.

Энцелад

Спутник Сатурна Энцелад внешне похож на Мимас. Он тоже является ледяной безатмосферной планетой, но несколько крупнее – диаметром в 500 км – и таит в себе куда больше загадок. Первая и главная из них – мощнейшая криовулканическая активность Энцелада. Видимо, диаметра планеты в 500 километров было достаточно, чтобы растопить внутренние ледяные слои планеты и создать подледный океан жидкой воды. Жидкость, колеблясь под приливным действием Сатурна, вызвала дальнейший разогрев. Результат – самая большая вулканическая активность среди ледяных планет (даже больше, чем на Европе).

Гейзеры (ледяные вулканы) Энцелада сосредоточены, в основном, в районе южного полюса, поскольку именно в этом месте приливное действие Сатурна вызывает самые сильные внутренние напряжения и разогрев. Есть теория, что гейзеры Энцелада порождены приповерхностными источниками, что, однако, не отменяет существования глубинного океана. Они периодически выбрасывают в космос фонтаны водяного пара с частичками льда на высоту 500 км. Часть льда уходит в кольцо Сатурна, а часть оседает инеем на поверхность планеты. Благодаря этому, поверхность Энцелада – самая белоснежная и чистая в Солнечной системе, с самым высоким альбедо (порядка 0.9).

Из-за удаленности от Солнца и высокого альбедо, на поверхности Энцелада царит жуткий мороз от –200 до -230 градусов Цельсия. Однако, в районе вулканических извержений температура куда выше и доходит до –93 градусов Цельсия. Вероятно, внутренний океан разогревается до температуры около нуля и активно циркулирует под поверхностью, создавая своеобразный энцеладный климат. Анализ состава гейзеров показал, что в этом соленом океане должно быть много органических веществ (углеводородов) и аммиака, что делает Энцелад главным кандидатом на белковую жизнь в Солнечной системе (кроме, конечно, Земли).

Тефия, Диона, Рея

Тефия, Диона и Рея – три соседних спутника Сатурна, которые очень похожи друг на друга. Точнее, мы думаем, что они похожи, поскольку очень мало о них знаем. Точно так же на заре планетологии мы думали, что все планеты Солнечной системы похожи, только на одних теплее, на других – холоднее. Потом мы поняли, что все планеты – разные, но уж спутники-то у каждой планеты должны быть похожи! Теперь мы понимаем, что и все большие спутники непохожи друг на друга, каждый из них уникален. То же самое мы рано или поздно поймем про Тефию, Диону и Рею.

Тефия – насквозь промороженный ледяной мир. Она слишком далека от Сатурна, чтобы всерьез подвергаться его приливному действию. Поэтому тектонически Тефия очень спокойна и, скорее всего, не содержит внутреннего океана. Ее поверхность, покрытая метеоритными кратерами, напоминает поверхность Луны или Каллисто, но только состоящую из грязного льда (с примесью аммиака, органических веществ и металлов). Однако на ней есть следы грандиозного всплеска вулканической активности в прошлом: большая часть поверхности ровная, как будто залита ледяной лавой.

Диона – ледяная планета, похожая на Тефию. Однако, она была тектонически активна более долгое время, а возможно, активна и сейчас. Ее грязная ледяная поверхность покрыта таинственными бледными пятнами и складчатыми желобами. Видимо, причина в том, что Диона, в отличие от Тефии и Реи, вращается вокруг Сатурна в устойчивом резонансе 2:1 с Энцеладом, а значит, подвергается его приливному воздействию. Может быть, когда-то она содержала внутренний океан, который потом замерз? А может быть, и сейчас содержит?

Рея – безжизненная планета, содержащая куда больше метеоритных кратеров, чем Тефия и Диона. На ее поверхности есть трещины (разломы), но больше никаких следов внутренней активности. Видимо, она больше всего похожа на ледяной аналог Луны и Каллисто. Однако, мы знаем о Рее меньше всего – сфотографировано всего 20% ее поверхности. Может быть, она еще преподнесет сюрпризы.

Титан

Титан – силикатно-ледяная планета с атмосферой, самый большой спутник Сатурна. Метановые облака застилают всю планету, поэтому Титан наименее изучен из всех спутников Сатурна – и он же наиболее сложен и удивителен. Он всегда повернут к Сатурну одной стороной, поэтому титановые сутки совпадают с титановым месяцем и составляют 16 земных дней. Планета не наклонена к орбите, поэтому смена времен года отсутствует. Облачный слой создает небольшой парниковый эффект, поэтому, вместо мороза в –200 градусов, на Титане вполне комфортная температура в районе -170 - -180 градусов. Различия между дневной и ночной температурой невелики, ибо Солнце далеко, а мощная атмосфера хорошо сохраняет тепло.

Как и другие спутники газовых гигантов, Титан тектонически активен. Как и у других спутников, активность вызывает не собственное слабенькое ядро, а мощное приливное воздействие Сатурна. Криовулканы Титана извергают воду с примесью аммиака, которая застывает, образуя водяной лед. При титановых температурах лед имеет свойства камня; он образует горные хребты, ущелья, холмы и равнины.

Атмосфера Титана состоит из азота, таких веселеньких соединений азота, как циан и синильная кислота, а также паров метана и других углеводородов. Вообще, на Титане очень много углеводородов во всех трех состояниях, есть и нефть. У Титана нет своего магнитного поля (поэтому он пропускает солнечный ветер), но есть ионосфера – видимо, благодаря магнитному полю Сатурна.

Благодаря своей атмосфере, Титан – единственная планета, кроме Земли, на которой существует климат земного типа! Метан и этан играют на Титане ту же роль, что вода на Земле. На поверхности планеты они образуют реки, моря и озера. Круговорот углеводородов на Титане: они постоянно испаряются в атмосферу планеты и образуют облака двух типов. Сплошные облака в верхних слоях атмосферы состоят из жидкого метана – из них постоянно выпадает изморозь (погода на Титане всегда сырая и дождливая). Небольшие густые облака в нижних слоях атмосферы проливаются тропическими ливнями с каплями размером 1 см. Гидросфера Титана, вероятно, порождает формы рельефа, очень похожие на земные: долины рек, пляжи, пещеры, и.т.п.

На Титане имеет место эффект суперротации: в верхних слоях атмосферы дуют ураганные ветры. Климат планеты влияет на геологические процессы. Ветры в его атмосфере настолько сильны, что раскачивают поверхность планеты, вызывая титанотрясения. Это неудивительно, если учесть, что атмосфера Титана мощнее земной, а его поверхность – просто-напросто плавающий лед. Верно и обратное: значительная часть ветров вызывается приливным воздействием Сатурна, которое раскачивает поверхность. Вообще, главная движущая сила климата – не слабенькое излучение Солнца, а приливной нагрев.

Таким образом, климат и геология Титана тесно взаимосвязаны. Вообще, они изучены очень плохо. Вполне возможно, что где-нибудь на дне метановых озер в горячих водяных ключах возникают сложные органические соединения и жизнь – конечно, основанная не на белках (для них слишком холодно), а на каких-то других веществах.

Япет

Япет – безатмосферная ледяная планета, самый дальний спутник Сатурна. Несмотря на дальность, он тоже испытывает на себе мощное воздействие материнской планеты, которое заставило его быть всегда повернутым одной стороной к Сатурну. Ученые считают, что когда-то Япет очень быстро вращался вокруг своей оси, так что его форма была довольно приплюснутой. Однако, Сатурн замедлил его вращение, в результате чего гравитационные силы заставили Япет стать более сферическим. Это грандиозное изменение формы планеты породило горный хребет высотой 20 км вокруг экватора и, возможно, большой обрыв высотой 15 км.

Остальная поверхность Япета спокойна, безжизненна, покрыта метеоритными кратерами и похожа на поверхность Луны или Каллисто (или некоторые области поверхности Тефии). Однако состав льда на этой поверхности – совершенно удивительный. Одно полушарие планеты, переднее по ходу ее движения, напоминает темно-красную плесень. Другое, заднее полушарие – очень светлое, покрытое каким-то белым налетом. Очевидно, на темном переднем полушарии альбедо такое низкое, что лед, нагреваясь под лучами слабого сатурнианского солнца, испаряется. Этот пар и оседает на заднем полушарии планеты белым инеем. Осталась одна загадка – откуда берется темное вещество на ведущем полушарии? Возможно, когда-то, когда Япет вращался быстрее, он весь был покрыт этой «красной плесенью», оседающей из внешнего, самого разреженного кольца Сатурна, состоящего из частиц малого спутника-троянца Фебы. Но после замедления вращения часть планеты покрылась инеем, а часть осталась грязной.

Уран

Уран – наименее изученный газовый гигант Солнечной системы. Все, что мы знаем о нем – наблюдения одного «Вояджера-2», пролетевшего мимо планеты и отправившегося дальше в путь к Нептуну. Поэтому большая часть того, что я здесь напишу об Уране – недоказанные гипотезы.

Уран, в отличие от Юпитера и Сатурна, относится к классу «малых газовых гигантов», не имеющих ядра из металлического водорода. Это самый легкий газовый гигант: его масса составляет всего 14 масс Земли, но этого уже оказалось достаточно, чтобы удержать водородно-гелиевую атмосферу. Поэтому Уран в 4 раза больше Земли по диаметру, но его ускорение свободного падения на уровне давления в 1 атмосферу близко к земному.

Он вращается вокруг Солнца, практически «лежа на боку» - его ось вращения наклонена к орбите на 98 градусов. Видимо, какая-то грандиозная катастрофа в начале истории планеты сбила ее ось вращения набекрень. Это значит, что на большей части Урана времена года такие: весна, полярный день, осень и полярная ночь, вместе составляющие 84 земных года. При этом у Урана, в отличие от Юпитера с Сатурном, нет своего внутреннего источника тепла. Казалось бы, летнее полушарие должно нагреться гораздо сильнее, чем зимнее – но разница температур между ними минимальна: и там, и там температура составляет примерно –213 градусов при давлении в 1 атмосферу. Причина – сильные ровные ветры, переносящие тепло из летнего полушария в зимнее. Кроме этих ветров, никаких примечательных погодных явления на Уране не наблюдается, его климат очень однообразен и сравнительно (с другими газовыми гигантами!) спокоен. Видимо, причина та же – отсутствие внутреннего источника тепла.

Атмосфера Урана состоит из водорода, гелия и метана, а также, в меньшем количестве, других углеводородов. Как и у других газовых гигантов, она облачная и слоистая, с венерианским типом климата. Наверху находятся редкие метановые облака - в отличие от аммиачных облаков Юпитера и Сатурна. Именно метан в атмосфере Урана придает ему красивый бирюзово-голубой цвет. Ниже, как и у других гигантов – облака сероводорода, еще ниже – гидросульфид аммония, еще ниже (при давлении в 50 атмосфер) – водяные облака. Скорее всего, на этом уровне есть жидкая вода. Да и вообще, воды в атмосфере Урана очень много, так что ее количество в атмосфере даже влияет на атмосферное давление. Видимо, во влажном слое Урана сформировался своеобразный «сверхсырой» климат венерианского типа.

Ниже, как и у других газовых гигантов, располагается кипящий океан жидкого водорода, еще ниже – океан из жидкой воды, метана и аммиака. Любителей отыскивать белковую жизнь в воде на других планетах могу сразу разочаровать: температура этого океана 2200 градусов, а давление - 200 тысяч атмосфер. Еще ниже находится твердое силикатное ядро, диаметр которого всего в полтора раза больше земного.

Соленый океан Урана, как и на Европе, проводит ток, и его течения создают магнитное поле. Но, в отличие от Европы, здесь магнитное поле не наведенное (металлического водорода на Уране нет!), а собственное. Возможно, поэтому оно так странно устроено: имеет не 2 полюса, как у большинства других планет, а 4 – квадруполь с 2 северными и 2 южными полюсами.

У Урана есть 5 больших спутников: Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон (когда эти спутники были открыты, запас древнеримских богов уже исчерпался, так что источником имен для них стали пьесы Шекспира) – и множество мелких, а также кольца. Как и Уран, его спутники мало изучены, об этих пяти мирах Солнечной системы практически ничего не известно.

Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания, Оберон

Спутники Урана Миранда, Ариэль, Умбриэль, Титания и Оберон – силикатно-ледяные безатмосферные планеты. Видимо, они содержат еще больше аммиака, чем спутники Сатурна (аммиачных облаков у Урана нет – весь аммиак ушел на спутники). Вода, смешанная с аммиаком, замерзает при температуре порядка 170К. Поэтому она с легкостью становится жидкой, что способствует криовулканизму на спутниках. Видимо, после фазы аккреции у них была фаза расплавления, и на их поверхности плескались океаны жидкой воды.

Спутники Урана были сфотографированы только один раз с близкого расстояния – когда мимо них пролетал аппарат «Вояджер-2». Поэтому мы даже не знаем полностью, что находится на их поверхности. Может быть, где-нибудь на обратной стороне Миранды возвышается город инопланетян, но мы узнаем об этом только тогда, когда двигатели нового поколения позволят нам послать следующий аппарат к Урану.

Миранда – крошечная планета, подобная Мимасу и покрытая кратерами. На ней не должно быть совершенно никакой тектонической активности, однако, кратеры присыпаны инеем от недавних извержений. Но самое удивительное – три огромные круглые короны Арден, Ивернесс и Эльсинор, возвышающиеся над поверхностью этой маленькой планеты. Судя по всему, они вызваны давним грандиозным извержением (возможно, после падения на Миранду трех больших тел).

Ариэль покрыт кратерами и огромными щелями – водно-аммиачными криовулканами. Возможно, щели образовались, когда планета остывала, вода превращалась в лед и расширялась, из-за чего лед потрескался. Умбриэль – такой же по размеру, как Ариэль, но куда более спокойный, безжизненный и покрытый кратерами, как Луна. Непонятно, почему эти две планеты, находящиеся в одинаковых условиях, так непохожи.

Титания и Оберон – планеты, которые больше по размеру, находятся примерно на одинаковом расстоянии от Урана, и потому также должны быть похожи друг на друга, как Ариэль и Умбриэль. Однако, и здесь мы видим странную непохожесть. Титания больше напоминает Ариэль, а Оберон – Умбриэль. Оберон, воспетый фантастом Э. Гамильтоном в романе «Сокровища громовой луны», и в самом деле напоминает Луну (и Умбриэль). Только у него вдобавок есть два загадочных объекта на поверхности. Во-первых, гигантский горный пик – видимо, стена древнего кратера (остальная часть стены уже обрушилась или погрузилась внутрь планеты). Во-вторых, глубокое ущелье Моммур, происхождение которого совершенно неясно.

Нептун

Нептун, как и Уран, очень мало изучен – только один раз мимо него пролетел «Вояджер-2» . Как и Уран, это легкий газовый гигант. Возможно, с океаном из жидкого водорода, под которым находится океан жидкой воды с аммиаком, а под ним - твердое силикатно-ледяное ядро. Но, в отличие от Урана, Нептун имеет собственный загадочный источник тепла где-то внутри планеты. Откуда этот источник – непонятно. Есть версия, что Нептун разогревается за счет приливного взаимодействия с большим спутником Тритоном. А вообще, о внутреннем строении Нептуна можно пока только строить догадки.

Внутренний источник тепла вызывает ураганы – самые мощные в Солнечной системе, где скорость ветра доходит до 500 м/с. На Нептуне есть смена времен года, похожая на земную (только каждый сезон длится 41 земной год), но похоже, что большее влияние на погоду оказывает не Солнце, а таинственное внутреннее тепло. Атмосфера устроена примерно так же, как у Урана – многослойная, с венерианским типом климата. Но климат похож, скорее, на климат Юпитера и Сатурна - с мощными хаотическими ураганами и устойчивыми циклонами (самый известный из них – циклон Большое Белое Пятно).

Магнитное поле Нептуна порождается, скорее всего, слоем соленой жидкой воды, как на Уране. Оно имеет 2 полюса, но почему-то смещенных относительно центра планеты.

У Нептуна такая же мощная система спутников, как и у других газовых гигантов. Однако, роковую роль в этой системе играет большой спутник Тритон, который, как предполагают астрономы, захвачен Нептуном из пояса Койпера (ибо он вращается вокруг Нептуна совсем не в том направлении, в каком положено вращаться нормальным добропорядочным планетам). Тритон быстро сшиб с орбиты или разрушил другие большие спутники и остался в гордом одиночестве.

Тритон

Спутник Нептуна Тритон – очень холодная ледяная планета размером примерно с Луну с очень слабой атмосферой. Правда, слово «ледяная» здесь нужно поставить в кавычки, поскольку он составлен не столько из водяного льда, сколько из замерзшего азота и метана. Под корой Тритона находится жидкий океан - видимо, из воды, смешанной с метаном.

Времена года на Тритоне ярко выражены, причем из-за наклона орбиты Нептуна и, вдобавок, наклона оси вращения Тритона, тритоновский год составляет 688 земных лет. Летом и зимой полярные шапки выкипают, превращаясь в газообразный азот, и атмосферное давление повышается в несколько раз. Но давление все равно очень низкое, так что на Тритоне ярко выраженный марсианский климат. Большое влияние на нагрев поверхности оказывает альбедо, а оно, в свою очередь сильно зависит от выпадения темных вулканических осадков на поверхность. Таким образом, вулканизм серьезно влияет на климат.

Вулканизм на Тритоне очень сложный и непонятный. Во-первых, он вызывается двумя силами – приливным воздействием Нептуна, которое раскачивает внутренний водный океан, сильнее всего действуя на полюсах, и солнечным нагревом, который влияет на приповерхностные источники. Солнце нагревает темные области поверхности (те области, на которые выпало больше осадков), азот под поверхностью тает, вскипает и вырывается на поверхность гейзерами, которые расположены, в основном, на полюсах и бьют на несколько километров вверх. Ветры в верхних слоях атмосферы разносят темные осадки по всей планете. Во-вторых, вулканизм может быть как водным, так и азотным. Водяные извержения создают замерзшие озера, скалистые террасы километровой высоты, странные круги и полосы. Азотные извержения, видимо, сглаживают поверхность, покрывая ее слоем осадков.

Таким образом, на Тритоне, как и на Титане, климат и геология взаимно влияют друг на друга. Правда, на Титане климат – земного типа, его моря и реки создают кажущееся сходство с Землей, которое не позволяет нам заметить невероятную чуждость его геолого-метеорологической системы. На Тритоне эта чуждость ничем не замаскирована. Ни наша геология, ни наша метеорология ничем не могут тут помочь – для изучения Титана и Тритона придется создавать новую науку.

Плутон

Плутон — одно из тел пояса Койпера. Вообще, транснептуновые объекты делятся на три группы:

Тела, входящие в стабильный резонанс с Нептуном. Плутино — тела, входящие в резонанс 2:1. Плутон — самое крупное плутино, кроме него ещё есть плутино Орк и множество плутино поменьше. Также в резонанс с плутоном входят троянцы Нептуна и маленькие тела, образующие более экзотические резонансы.
Классические объекты пояса — кьюбивано: Хаумеа, Макемаке, Кварар, и.т.д. Кроме них, есть ещё так называемые рассеянные объекты (бродяги), которые отличаются только тем, что их орбиты более вытянутые. К ним относят Эриду, которая по размеру крупнее Плутона. Но мы о ней ничего не знаем, поэтому говорить не будем.
Тела внутренней части облака Оорта, которые полностью находятся вне пояса Койпера. Видимо, к ним относится загадочная планета Седна, которая в перигелии в 2 раза дальше от Солнца, чем Плутон, а в афелии – в 25 раз дальше.

Плутон – карликовая планета, а вовсе не настоящая планета, как считали в прошлом астрономы и обыватели. Но мы включили Плутон во впечатляющий список миров Солнечной системы вовсе не из уважения к его истории, а по двум другим причинам. Во-первых, Плутон – единственная карликовая планета в Солнечной системе, имеющая атмосферу (хотя и очень слабую). Во-вторых, Плутон – планета-близнец Тритона.

Одна из загадок Солнечной системы – существование пар планет, очень похожих друг на друга: Земля и Марс, Луна и Меркурий, Юпитер и Сатурн, Уран и Нептун, Европа и Ганимед, Мимас и Энцелад… Мы не знаем - то ли это юмор создателя Солнечной системы, то ли для этого есть более глубокие причины. Так или иначе, Плутон очень похож на Тритон, как мы можем судить по скудным наблюдениям издалека (если мимо Тритона всего один раз пролетал зонд, то к Плутону никогда не приближался ни один космический аппарат). Судьба их сложилась по-разному: Тритон, захваченный Нептуном, стал частью стройной системы миров, а Плутон остался маргинальным объектом пояса Койпера – грандиозного скопления мусора и останков несформировавшихся планет. Но Плутон также имеет все задатки для того, чтобы быть полноценной планетой – поэтому мы не можем обойти его вниманием.

Как и у других тел пояса Койпера, орбита Плутона непохожа на орбиты добропорядочных планет – она сильно наклонена к плоскости эклиптики и сильно вытянута, так что пересекает порой орбиту Нептуна. На самом-то деле, орбита хаотична, но, чтобы заметить эту хаотичность, нужно подождать несколько миллионов лет. День на Плутоне составляет 6 земных дней, год – 248 земных лет, вращение, как у Урана, в обратную сторону с большим наклоном. Времена года резко выражены, но на температуру больше влияет не наклон планеты, а ее удаленность от Солнца, которая сильно меняется. Поверхность Плутона – разноцветная, от снежно-белой до угольно-черной, поэтому и альбедо очень разное, и нагрев поверхности очень разный.

Поверхность Плутона, как и Тритона, сложена, в основном, из азота, метана и водяного льда, но к ним добавляется еще и угарный газ CO. Из тех же элементов состоит и атмосфера. Угарный газ, осаждаясь на поверхность, вызывает темные пятна, сильно понижающие альбедо. На ночной стороне атмосфера частично замерзает, что, вероятно, вызывает постоянные ветры. Вообще, климат на Плутоне – марсианского типа и похож на климат Тритона. Но, когда Плутон удаляется от Солнца, его атмосфера полностью замерзает и выпадает на поверхность. В этом смысле, Плутон уникален – это единственная планета, про которую нельзя сказать, есть ли у нее атмосфера. Иногда атмосфера есть, иногда ее нет.

Плутон и его спутник Харон составляют двойную карликовую планету, которая обращается вокруг общего центра тяжести, находящегося в пустоте между планетами (Харон – обычная ледяная карликовая планета, которая не заслуживает отдельного рассмотрения). Поэтому приливной эффект на Плутоне силен, как и на Тритоне, а периоды вращения и обращения Плутона и Харона полностью синхронизированы – огромный Харон висит неподвижно в одной точке плутонового неба (правда, за сутки его серп проходит все фазы). Вулканизм схож с вулканизмом Тритона, рельеф поверхности – наверно, похожий (еще никто не видел поверхность Плутона и до 2015 года никто не увидит). Таким образом, на Плутоне, как на Титане и Тритоне, климат и геология взаимно влияют друг на друга.

Планета Земля - что в ней особенного.

Загадка земной жизни.

Очевидно, что Земля - уникальное место в Солнечной системе, потому что на ней есть жизнь. Жизнь на Земле возникла потому, что есть благоприятные условия для жизни. Но разве нет таких условий на других планетах Солнечной системы? А может быть, на других планетах есть жизнь? Даже если ответ на оба вопроса утвердительный, все равно мы, люди, интуитивно понимаем, что на Земле есть что-то особенное, что позволило нам появиться, исследовать другие планеты Солнечной системы и задавать эти вопросы.

Прежде всего, заметим, что речь идет не об уникальности состояния Земли в данный момент времени. Это состояние, разумеется, уникально – хотя бы потому, что ни на одной планете присущая ей жизнь не уничтожается с такой скоростью одной из ее агрессивных форм (холодно). Или потому, что ни одна планета не нарушила до такой степени свой естественный тепловой баланс (теплее). Ни на одной планете глобальная геология и энергетика не зависит от хлипкой и неустойчивой жизни, которая, в свою очередь, зависит от климата (еще теплее). И ни одна планета не запускает в космос нечто отличное от простых камней и облаков газа (горячо!).

Действительно, состояние планеты в данный момент времени может быть естественным и нормальным, а может быть и следствием случайных обстоятельств. Нас же интересует уникальность Земли, которая была создана Богом как существенная часть Солнечной системы. Иначе говоря, функция Земли в Солнечной системе. Говоря о функции планет, мы должны рассматривать их на больших отрезках времени, исходя из условий на этих планетах, которые определяются их положением и историей зарождения.

Наивный ответ: «Земля уникальна, потому что на ней есть благоприятные условия для жизни» - неверен. На других планетах Солнечной системы (например, на том же Энцеладе) теоретически, тоже имеются "благоприятные условия". Так что сторонники уникальности Земли не могут не только сформулировать, почему она уникальна, но даже доказать, что это действительно так! Попробуем выступить в роли адвокатов дьявола и понять, что же действительно выделяет Землю среди других миров Солнечной системы.

Но в наших поисках мы все же будем использовать земную жизнь в качестве ориентира и фильтра, позволяющего отбросить неверные варианты.

Луна и тектоническая активность

Первый ответ, который напрашивается: у Земли самый большой спутник, если считать по отношению к массе планеты - Луна. Поэтому Земля испытывает наибольшее приливное воздействие со стороны своего спутника, если не считать Плутона с его верным Хароном. Раньше приливное действие Луны было ещё сильнее. На этапе нестабильного развития Солнечной системы в ней было несколько десятков планет, вращающихся вокруг Солнца. Затем большинство планет погибло из-за механических процессов столкновения, поглощения и распада. Некоторые планеты сталкивались с Землей, что вызывало грандиозные геологические процессы на нашей планете. Считается, что в результате одного из столкновений с огромной планетой, сравнимой по размеру с Марсом, от Земли откололся кусок, который превратился в Луну.

Изначально Луна собралась из кусочков около предела Роша Земли (несколько тысяч км). В это время Земля обращалась вокруг своей оси за несколько часов, Луна (огромное тело, занимающее полнеба) вращалась вокруг Земли с тем же периодом, вызывая грандиозные приливы в твердой и жидкой коре Земли. Эти приливы, в свою очередь, замедляли движение и Земли, и Луны, заставляли Луну удаляться от Земли. В конце концов, они затормозили и собственное вращение Луны, заставив её быть все время обращенной к Земле одной стороной (уже упоминавшийся резонанс 1:1 для спутников).

Но причём тут жизнь? Некоторые ученые полагают, что именно лунные приливы перемешали и взболтали земные океаны, создав благоприятную среду для жизни. То есть, Луна была дополнительным источником тектонической активности.

Другой напрашивающийся ответ: Земля – самая большая силикатная планета. Поэтому на Земле идут самые активные вулканические процессы. Только на Земле вулканические процессы и горизонтальное движение плит продолжается до сих пор. Опять же, речь идёт о количественной оценке тектонической активности: Землю трясёт чаще и сильнее, чем другие планеты. Но эта оценка не даёт нам ничего для качественного понимания феномена земной жизни. Кроме того, Ио - тектонически более активная планета, чем Земля, но жизни там нет.

Однако, у Земли есть и качественное своеобразие: горизонтальное движение литосферных плит. Оно порождает линейные формы рельефа - горные хребты, возникающие из-за столкновения и смятия плит. Кроме того, движение плит порождает субдукцию - опускание одной плиты под другую. При этом в грандиозных масштабах происходит опускание поверхностных пород под землю. Под землёй они под действием высокой температуры и давления преобразуются в метаморфические породы: граниты, сланцы, и.т.п. Земля - единственная планеты Солнечной системы, на которой так много метаморфических пород, что они образуют сплошной слой.

Есть теория, что именно движение литосферных плит сыграло ключевую роль в появлении жизни. Но эта теория довольно слабо обоснована. Какова роль горных хребтов в появлении жизни? Нулевая. Какова роль метаморфических пород в появлении жизни? Нулевая. Разумеется, горные хребты и полезные ископаемые сыграли важную роль в истории человечества, но это отдельный разговор.

Температура.

Есть обывательское представление, что Земля занимает уникальное место в Солнечной системе благодаря своей температуре. Мол, есть "тонкий пояс" вокруг Солнца, в котором температура благоприятна для жизни - и Земля именно в этот пояс попала.

Чтобы опровергнуть это представление, достаточно сравнить 3 планеты земной группы: Венеру, Землю и Марс. Разброс их расстояний до Солнца очень велик: от 100 млн. км у Венеры до 230 млн. км у Марса. Однако, на всех трех планетах потенциально могла установиться температура, близкая к земной! Все эти планеты находятся в «поясе жизни», в котором температура благоприятствует возникновению климата земного типа. Этот пояс отнюдь не тонок! Он начинается между орбитами Меркурия и Венеры и заканчивается где-то в поясе астероидов.

Действительно, равновесная температура Венеры: -44 градуса Цельсия. Реальная температура гораздо выше из-за парникового эффекта, но, понизив плотность атмосферы Венеры, можно сделать реальную температуру равной земной и даже ниже земной! Равновесная температура Марса отличается от венерианской незначительно: -57 градусов Цельсия. Реальная средняя температура: -53 градуса, что включает в себя колебания температуры от -150 (зимой на полюсе) до +20 градусов (днем на экваторе) - температуры, вполне сравнимые с земными. Есть данные, что в прошлом, когда атмосфера Марса была более плотной, температура на его поверхности достигала +50 градусов.

Средняя температура на Земле: +15; диапазон температур: от -90 до +70; температуры в самых климатически благоприятных регионах: от +10 до +30. Таким образом, температура на Земле благоприятна для жизни вовсе не из-за расположения относительно Солнца, а из-за совсем других, более важных и первичных факторов. Более того: "земные" диапазоны температур есть очень на многих других планетах! Они есть в атмосфере Венеры на высоте 50-60 км; в недрах Луны и Марса; под ледяной коркой Европы; в плотных слоях газовых гигантов.

Итак, земные температуры отнюдь не уникальны и никоим образом не выделяют Землю среди других планет. Что-то другое сыграло роль "особого земного фактора".

Атмосфера и химический состав.

Говорят, что атмосфера Земли уникальна и особенно пригодна для жизни. Такая точка зрения имеет некоторые основания:

на большинстве планет (в том числе, на Марсе, который более всех похож на Землю) атмосфера слишком слабая, чтобы удерживать жидкую воду – вода просто вскипает и испаряется
там, где атмосфера достаточно мощная, она содержит ядовитые вещества, вместо полезных кислорода и углерода: водород и гелий на газовых гигантах, метан и аммиак на Титане
на Венере атмосфера достаточно плотная и содержит углекислый газ с некоторым количеством кислорода и воды; но парниковый эффект так разогревает ее, что жидкая вода не может существовать и, опять же, испаряется
в верхних слоях атмосферы Венеры нормальная температура и давление, но там есть другая беда – облака из концентрированной кислоты, гибельной для белковой жизни.

Видно, что все эти аргументы настойчиво требуют наличия в атмосфере двух веществ: углекислого газа и жидкой воды. Но почему именно эти вещества? Почему, например, не метан, аммиак и жидкая углекислота? Ответ понятен любому биологу: эти вещества нужны для всякой белковой жизни. В атмосферах других планет может быть жизнь – но никак не белковая жизнь, а имеющая какую-то другую, необычную природу.

Но зачем вообще белковой жизни нужна атмосфера? Ведь известно, что жизнь зародилась в воде. Некоторые анаэробные бактерии существуют в водных глубинах безо всякого углекислого газа и кислорода. Грубо говоря, если разделить всех белковых существ на 3 группы: плавающие, летающие и наземные, получается, что земная атмосфера нужна только для наземной и летающей белковой жизни. Но аргумент: «только Земля пригодна для наземной и летающей белковой жизни» - звучит довольно слабо.

Вода.

В былые времена, когда сравнительная планетология еще только зарождалась, считалось, что Земля – единственная планета, на которой есть жидкая вода. В XX веке были довольно поверхностно исследованы Луна, Меркурий, Венера и Марс, а о газовых гигантах и их спутниках практически ничего не было известно. Поэтому исследователи утверждали, что только на Земле может существовать жизнь, поскольку для появления жизни необходима вода в жидком виде.

Сейчас ограниченность такого взгляда очевидна. Действительно, на Земле есть огромные запасы жидкой воды, и потому некоторые в шутку предлагают называть ее «планета Вода», а не Земля. Но, во-первых, некоторое количество жидкой воды есть в атмосфере Венеры и, возможно, под поверхностью Марса. Огромные океаны, скорее всего, существуют под ледяными корками спутников Юпитера и Сатурна. Даже в атмосферах газовых гигантов довольно много воды во всех трех состояниях.

Во-вторых, наше преклонение перед водой, опять же, связано с нашим «белковым биоцентризмом». Поскольку мы не можем представить иной жизни, кроме белковой, мы считаем, что именно вода – основа жизни. В действительности, ничто не мешает иным формам жизни зародиться, например, в озерах углекислоты на Марсе, или в метановых озерах Титана, или в подледном водно-аммиачном океане Ариэля.

Таким образом, Земля не обладает монополией на жидкую воду в Солнечной системе, хотя, действительно, обладает куда большими запасами воды, чем другие планеты земной группы. Впрочем, и сама вода не является абсолютно уникальным и выдающимся веществом.

Географическая оболочка.

Чтобы понять, в чем же состоит уникальность Земли, вновь обратимся к системному анализу. Ясно, что уникальность Земли связана с уникальностью земной жизни. А жизнь – это, прежде всего, сложная гетерогенная система. Следовательно, жизнь не может зародиться в простой гомогенной среде – например, в лунном грунте или в ядре Солнца – а лишь в гетерогенной среде, в которой присутствует изменчивость, появление качественно новых форм.

Твердое вещество планет Солнечной системы неподвижно и мало изменчиво. Привычная нам химически активная жизнь возникает в активной жидкой и газообразной среде, а следовательно, связана с климатом (как мы увидим в последней главе, возможны и другие типы жизни). Климат и определяет своеобразие Земли: в Солнечной системе есть лишь 3 планеты с земным типом климата: Земля, Марс (в прошлом) и Титан.

Чем же уникальна жизнь, зародившаяся в климате земного типа? Жизнь может быть где угодно и какой угодно. Но нас интересует лишь космическая жизнь – то есть, такая жизнь, которая может выйти в космос. У всякой жизни есть своё поле существования (ПС), в которой она существует (выживает) и может реализовывать свои цели. Всякая жизнь может приспосабливаться к среде, а значит, распространяться в пространстве, находя себе новые места обитания. Конечно, это распространение не бесконечно – как заметил ещё Вернадский, у всякой жизни есть поле устойчивости (ПУ), за пределы которого она не может выйти, как бы не менялась. Например, человек никогда не сможет жить в недрах Солнца.

Значит, космическая жизнь – это такая жизнь, у которая возникла на планете, но потом ее ПУ стал космос. В каком же климате может возникнуть такая жизнь?

Марсианский тип климата (примеры: современный Марс, Тритон, Плутон). В таком климате нет жидкости – а значит, не может быть и жизни. Действительно, химически активная жизнь не может быть газообразной или жидкой, ибо тогда ни один организм не сохранит себя, а расплывется и растворится, «усреднившись» в окружающем пространстве. Значит, жизнь должна быть твердой. Но твердое тело активно реагирует с другими твердыми телами лишь в жидкости, смачиваясь жидкостью и растворяясь в ней. Иначе говоря, химически активная жизнь – сама твердая, а возникает в жидкости. При климате марсианского типа такая жизнь невозможна (отсюда не следует, что жизни на Марсе сейчас нет – мы же не говорим здесь про подземные воды!).
Венерианский тип климата (существующий на Венере и на газовых гигантах). При таком климате жидкость – это всегда взвесь капелек в атмосфере. Капелька падает, сталкивается с другими капельками, брызги разлетаются и продолжают падать, попадают в горячую плотную область атмосферы, испаряются, пары поднимаются вверх и конденсируются в капельки. В таком климате если жизнь и возникнет, то возникнет внутри капелек - и будут это микроорганизмы, типа бактерий. Это как раз тот случай, когда размер имеет значение. Химические реакции, порождающие жизнь, имеют свои ограничения, связанные с размерами молекул. Такой сложный мыслительный аппарат, как мозг человека, не может возникнуть в объеме, который гораздо меньше черепной коробки. Неважно, что является основой жизни – белки или другие химические вещества – жизнь, которая возникает в малых объемах капелек воды, существует в них, движется и борется за существование, не может быть намного сложнее бактерий. Для такой жизни ПУ – тот слой атмосферы, в котором существуют капли жидкости. Любые ее путешествия, освоение новых земель, сводятся к перемещению из одной капли в другую. Такая жизнь никогда не станет космической.
Энцеладный тип климата – самый распространенный, он есть на всех планетах с жидким ядром – будь оно хоть из тяжелых металлов, хоть из воды, хоть из металлического водорода. В жидкой мантии планеты (не обязательно в воде!) может зародиться жизнь. Очевидно, она возникнет либо на самом дне глобального океана, либо в верхних областях жидкости – то есть, там, где жидкость взаимодействует с твердым веществом планеты, а значит, могут возникнуть сложные твердые структуры из множества взаимодействующих химических элементов. Каково же ПУ этой жизни? Ответ очевиден: вся внутренняя область планеты, но не более того.
Причины тут две. Во-первых, всякая жизнь постепенно приспосабливается к окружающей среде, меняясь и распространяясь по ней, но останавливается перед большими качественными изменениями среды. Например, для жизни в океане Европы внутренняя поверхность льда будет ее «землей», а глубина океана – ее «небом». Она будет постепенно опускаться в «небо», но ей не придет в голову лезть «под землю».
Во-вторых, жизнь меняется только в ту сторону, которая как-то связана с ней, где могут находиться ее цели. Она будет участвовать во внутренних круговоротах веществ планеты, но никакое вещество не выйдет за ее пределы и не придет извне – так что целей вне планеты не будет у внутренней жизни. Она не будет даже видеть луну и звезды, к которым нужно стремиться – областью ее интересов навсегда останется океан.
Юпитерианский тип климата (характерный для газовых гигантов). Если планета окружена глобальным океаном, в этом океане, теоретически, может появиться жизнь. Можно до хрипоты спорить о том, должны ли живые организмы выйти из воды на сушу, чтобы достичь высокого уровня развития и полететь в космос. Я считаю, что это вовсе не обязательно – и самые умные писатели-фантасты со мной согласны. Но подобный спор не имеет смысла в Солнечной системе – по той простой причине, что в глобальных океанах газовых гигантов жизнь возникнуть не может. Действительно, глобальный океан газовых гигантов – это чистый гомогенный водород, никакие химические реакции и качественно новые структуры там появиться не могут (а бурлящее ядро под ним – это зона энцеладного климата, совсем иной разговор). Единственное исключение – гипотетический водно-аммиачный океан Нептуна. Химические вещества в этом океане походят на те, которые сформировали жизнь на Земле – да вот только при нептунианских давлениях и температурах никакие сложные вещества появиться не могут.
Земной тип климата. В этом климате твердые, жидкие и газообразные вещества соседствуют, участвуют в круговоротах и образуют различные сложные структуры, примеры которых мы можем видеть вокруг себя на Земле. Впрочем, твердые вещества сами по себе не движутся, а в первую очередь переносятся жидкостью и газом. Та область, в которой происходит круговорот жидкости и твердых веществ – атмосфера до самых высоких облаков и литосфера до горизонта подземных вод – это географическая оболочка Земли, ареографическая оболочка бывшего Марса и титанографическая оболочка Титана. Она является ПУ для простейших форм жизни, распространяющихся с жидкостью. Более же сложные формы жизни, освоив географическую оболочку и пройдя по внутреннему круговороту веществ (не выходящему за пределы планеты), по подземным рекам и облакам, обращаются к внешнему круговороту веществ. К ней приходят электромагнитные поля от Солнца и звезд, влияющие на ее жизнь – так что рано или поздно у нее возникнет стремление измениться и приблизиться к Солнцу и звездам. Так возникнет космическая жизнь.

Таким образом, мы пришли к довольно неожиданному и обескураживающему выводу. Задумав выяснить, что же такого особенного в Земле, мы выяснили, что особенная-то не одна Земля, а целых 3 планеты: Земля, Марс былых эр и Титан. Из этих трех планет мы лучше всего знаем Землю. Поэтому в следующих 4-х главах посмотрим, как же реализовалась ее уникальная роль, а в последней главе покажем, почему не была выполнена аналогичная миссия Марса и Титана.

В полном соответствии с нашими рассуждениями, жизнь зародилась в океанах Земли, потом выползла на твердую поверхность, взлетела в небо под облака и так распространилась по всей географической оболочке Земли. Вот тут и начало нашего повествования…

1. Из истории Земли и жизни на ней.

Небольшое отступление - об иерархии сущего.

Целое и части.

Все окружающие нас вещи делятся на части. В системном анализе это формулируют более замысловато: все системы состоят из элементов. Части, в свою очередь, тоже делятся на части. Т.е., системы делятся на подсистемы, а элементы, в свою очередь, тоже являются системами. Например, рука - часть человека, человек - часть народа, народ - часть человечества, человечество - часть биосферы Земли, биосфера Земли - часть географической оболочки, географическая оболочка – часть Земли, Земля - часть Солнечной системы. Так возникает философская категория "целое/часть".

Людей всегда волновали такие абстрактные вопросы. Является ли каждая вешь неделимым целым или же состоит из частей? Если состоит из частей, то единственно ли деление вещи на части или возможны разные деления? Делимы ли, в свою очередь, части и есть ли в конце простые части или деление можно продолжать бесконечно? Откуда берутся свойства составной вещи, отличные от свойств частей?

Целое бывает:

1. Дифференцированным, когда оно состоит из конечного числа частей, на которые однозначно делится. Например, велосипед.

2. Континуальным, когда части не присутствуют в целом, но могут выделяться из него, причем каждая часть является континуальным целым той же природы. Отсюда следует бесконечная делимость целого. Например, бревно или планета Земля.

Кроме того, целое бывает аддитивным и неаддитивным (об этом мы уже говорили выше).

Дифференцированное аддитивное целое - это множество. Именно из рассмотрения дифференцированных аддитивных целых (множество камешков, палочек, овец, баранов, астероидов, пальцев на руке) возник счет и натуральные числа. Дифференцированное неаддитивное целое - это структура, т.е., множество взаимосвязанных между собой предметов, которые нельзя произвольно разделить. Континуальное аддитивное целое - это сплошная среда, т.е., количество, которое измеряют дробными, а не целыми числами. Например, ведро воды, мешок песка, атмосфера Земли. Континуальное неаддитивное целое - это фрактал. Например, организм человека, турбулентность, гравитационное поле галактики. Свойства фракталов до конца еще не изучены. Простейший вид фрактала – тот, в котором выполняется принцип самоподобия, как в атмосфере планет. Разумеется, самоподобие не означает, что часть полностью повторяет целое – сходство части и целого может быть весьма разного рода.

Некогда стоики и скептики отвергли вообще понятие аддитивного целого. Знаменитый скептик Секст Эмпирик сформулировал апорию, из которой следует, что нет ни целого, ни частей. Он говорил так. Если целое состоит из частей, то нет целого, а есть лишь части. Если же оно неделимо, то оно не имеет свойств, а значит, его нет. Несложно видеть, что Эмпирик атаковал именно понятие аддитивного целого. Поэтому мы приходим к такому выводу: аддитивного целого нет, что это лишь вырожденный случай неаддитивного.

Неоплатоник Прокл таким же образом ликвидировал понятие дифференцированного целого. Каждый объект потенциально содержит в себе бесконечно много частей, которые он реализует, продуцируя другие объекты. Итак, объект A - целое, произвел объект B - часть, но сам от этого не изменился, ибо часть выделена из целого лишь потенциально, но остается в целом. Таким образом, любое целое континуально в том смысле, что его можно делить на части разными способами и до бесконечности.

Таким образом, дифференцированного целого нет - это лишь вырожденный случай континуального. В действительности, все окружающие нас объекты - это континуальные неаддитивные целые, то есть, фракталы. Всё есть фрактал, а то, что мы считаем "не фракталом" - это лишь самые простые, вырожденные и потому доступные для познания случаи фрактала.

Но тогда возникает проблема познания (герменевтический круг): целое нельзя познать, не познав части, но, не зная целого, не понять, каковы части. Познание целого посредством разделения на части - это анализ, а познание частей через объединение в целое - синтез. Получается, что невозможен анализ без синтеза и невозможен синтез без анализа. Выход - познание по спирали через анализ и синтез: целое - потом части - потом снова целое - снова части - и.т.д. При этом мы производим анализ и синтез одновременно, параллельно, восходя от абстрактного к конкретному.

При этом мы можем иногда рассматривать и дифференцированные целые, и аддитивные - в целях упрощения модели. Но тут есть одна проблема: если мы в самом начале неправильно разделили целое на части, наше познание и дальше будет неправильным.

Эффект целостности - откуда он берется?

Еще Аристотель попытался ответить на вопрос: что делает из частей целое? Иначе говоря, каковы интегрирующие факторы системы? Для Аристотеля это субстанциальная форма, то есть, сущность вещи. Например, стул является целым, потому что он стул. Человек является целым, потому что он человек. Однако, такой ответ на самом деле ни на что не отвечает. Ведь стул потому и является стулом, что представляет собой единое целое!

В настоящее время большинство системных теоретиков сходится на том, что основным интегрирующим фактором является цель, т.е., функция системы (впрочем, Аристотель тоже понимал интегрирующую функцию цели, вводя понятие энтелехии – к сожалению, в современных работах это понятие не используется). Даже куча камней является единым целым только потому, что ее кто-то собрал вместе с определенной целью. Функция может быть определена самой системой, если система целенаправленная, то есть, органическая как человек. Функция может и придаваться системе извне, если система механическая, как пищеварительная система человека. В ДОТУ принцип реализации функций системы называется сопряженным интеллектом, который, естественно, может быть как внешним, так и внутренним.

Идея о том, что каждая система имеет свою функцию, т.е., является функциональной системой, может показаться непривычной. Мы привыкли к тому, что функции имеют только живые существа или искусственные системы, созданные людьми. Идея, о том, что каждая вещь во Вселенной имеет определенную цель, восходит к тому же Аристотелю - это принцип телеологии. В современном естествознании эта идея непопулярна, но, как мы увидим далее, она приемлема и для людей, верящих в Бога, и для материалистов.

Таким образом, категория "целое/часть" сводится к описанию свойств системы. Части - это "первичные", внутренние свойства, через которые потом определяются "вторичные", внешние. Например, в современной кибернетике и структурно-функциональном анализе сложная система рассматривается с точки зрения ее структуры, как способа реализации функций, и функций, как следствия структуры. В частности, если нам известны функции, но неизвестна структура, мы можем рассматривать вещь как "черный ящик", определяя структуру тем или иным способом, чтобы она правильно реализовала функции.

Теперь мы можем понять, откуда берется полисистемность (по ДОТУ – наличие виртуальных структур), т.е., возможность делить континуальное целое на части разными способами. Полисистемность - это просто-напросто следствие наличия нескольких функций, т.е., полифункциональности. Действительно, каждая вещь "стыкуется" из частей определенным образом для исполнения определенных функций. Разные функции требуют и разного разбиения на части. Например, если мы рассматриваем человека с точки зрения функции движения, мы разделим его на руки, ноги, туловище и голову (причем голова будет ненужным придатком). С точки зрения функции восприятия, мы разделим его на кожу, глаза, уши, язык, нос, мозг и внутренние органы (тут уже внутренние органы оказываются "лишней частью"). И.т.п.

Вообще говоря, в иерархических системах различают страты, слои и эшелоны. Страты – это естественная иерархия систем с точки зрения внешнего целеполагающего объекта. Например, для человека это иерархия «Галактика - Солнечная система – планеты». Слои – это иерархия целеполагающих систем, соответствующая дереву целей. Например, деление компьютера на устройства, а устройств – на электронные элементы. Для создателя системы страты совпадают со слоями. Эшелоны – это такие объединения слоёв, которые соответствуют органическим системам. Т.е., имеют собственный сопряженный интеллект и могут сами ставить перед собой цели.

Иерархия пространства и иерархия времени.

Делению вещей на части соответствует иерархическое расположение объектов в пространстве. Фактически, пространство - это просто структура вещей, определяющая возможности их взаимодействия. Например, чтобы задать пространство Солнечной системы, достаточно указать взаимные расстояния и скорости ее тел, а также указать, какое тело вокруг которого вращаются. Впрочем, обсуждение природы пространства - это сложная тема, которая лежит за рамками данной Концепции.

Время же - это линейная упорядоченность событий от причин к целям. Причина события А всегда находится в прошлом по отношению к А. Цель события А всегда находится в будущем по отношению к А. Таким образом, построению дерева целей (т.е., дерева функций) соответствует иерархическое расположение событий во времени. Впрочем, обсуждение природы времени - это еще более сложная тема, которая также лежит за рамками данной концепции.

Как утверждал Эйнштейн, укравший идею у Пуанкаре (впрочем, ее знал еще Фома Аквинский), пространство и время неразрывно связаны между собой, образуя единое пространство-время. Каждый объект движется в пространстве-времени, образуя мировую линию, а события, приключающиеся с объектом - узлы на этой линии. Поэтому структуре объектов в пространстве соответствует распределение функций во времени.

Итак, пространственной иерархии соответствует временная иерархия. Системы более высокого уровня реализуют свои цели на больших интервалах времени. Например, Солнечная система существует, по некоторым гипотезам, около 10 миллиардов лет. В том случае, когда такие системы ведут себя периодически, им соответствуют процессы с большим периодом - низкочастотные процессы. Их подсистемы действуют так, что интервалы между событиями - уже меньше, чем для объемлющих систем. Если события происходят периодически, то им соответствуют высокочастотные процессы.

Всё сущее развивается по спирали, а это значит, что большинство систем демонстрирует периодическое поведение (в тех случаях, когда не застывает в неподвижности и не находится в переходной стадии из одного режима в другой). Для механических систем это очевидно. Действительно, пусть имеется некая система (например, молекула), которую можно очень упрощенно представить как кубик из n³ подсистем (например, атомов). Значит, масса подсистем примерно в n³ раз меньше массы системы. Если бы системы и подсистемы двигались поступательно, то, по закону сохранения импульса, столкновение системы с подсистемой придало бы подсистеме скорость в n³ раз больше скорости системы. Именно на основании этого Циолковский утверждал, что чем меньше частица, тем быстрее она движется, а уж гипотетические элементарные частицы должны двигаться гораздо быстрее света.

Итак, если характерные пространственные масштабы для подсистем в n раз меньше, то характерные временные масштабы должны быть в n⁴ раз меньше. То есть, для того, чтобы подсистема не покидала систему (например, атом не покидал молекулу), она должна метаться внутри системы с достаточно большой скоростью – то есть, демонстрировать периодическое поведение высокой частоты.

Таким образом, низкочастотные процессы управляют высокочастотными. Но для внешнего наблюдателя все может выглядеть совершенно наоборот - высокочастотные процессы куда более заметны (недаром в физике им соответствует большая энергия). Например, в жизни мы в первую очередь замечаем суету, болтовню, повседневные дела - и почти не замечаем медленных изменений личности, накопления знаний, и.т.п.

При взаимодействии разных систем между собой взаимодействуют системы примерно одного уровня и, следовательно, примерно на одинаковых частотах - ведь близкие частоты больше всего резонируют, вызывая наибольший обмен энергией. Например, при поиске жизни на других планетах мы не обращаем внимания на такие высокочастотные процессы как турбулентность и движение элементарных частиц, и на такие низкочастотные процессы как движение камней и падение метеоритов - хотя эти процессы могут быть не менее сложными, чем происходящие в человеческом организме. Просто мы можем общаться только с теми существами, которые движутся с той же скоростью, что и мы. Только таких существ мы называем "живыми".

Часто историю сложных (гетерогенных) систем Вселенной рассматривают в логарифмической шкале времени - то есть, в такой временной шкале, в которой равное место занимают шаги - от 10 лет назад до 100 лет назад, от 1000 лет назад до 10000 лет назад, и.т.д. Есть два обоснования логарифмической шкалы: правильное и неправильное. Далее, приводя эти объяснения, опустим математические выкладки, потому что они, на самом деле, не имеют значения.

Правильное обоснование: влияние события на текущий момент уменьшается с течением времени. Поэтому, чем дальше период отстоит от настоящего момента, тем меньше значимых для нас событий в этом периоде. Правда, при этом непонятно, почему нужно использовать именно логарифмический масштаб. Стандартное объяснение: "значимость события обратно пропорциональна количеству событий такой значимости, а влияние события обратно пропорционально прошедшему с него времени". Но точная обратная пропорциональность, очевидно, не выполняется, а если есть примерная обратная пропорциональность, то надо ещё понять, откуда она взялась.

Неправильное обоснование: "положительные обратные связи в системе Земли или Вселенной приводят к тому, что параметры системы растут всё быстрее и быстрее, с экспоненциальной скоростью или даже с гиперболической скоростью ; а количество происходящих событий растёт вместе с параметрами". Простейшее возражение на такой подход состоит в том, что для аддитивных систем характерны линейные обратные связи x’ = ax и, соответственно, экспоненциальный рост. А логарифмическая шкала времени появляется вовсе не при экспоненциальном, а при гиперболическом росте, который является, скорее, исключением, чем правилом.

Более важное возражение: в гетерогенных системах никогда не происходит бесконечный количественный рост параметра. Рано или поздно наступает насыщение из-за ограниченности системы. Поэтому реально параметры реальных систем растут не гиперболически и даже не экспоненциально, а по логистической кривой.

Когда система быстро растёт, а потом достигает насыщения, её параметры меняются качественно от "очень мало, почти незаметно" до "настолько много, насколько это возможно". То есть, в системе происходит переход количества в качества - при этом её подсистемы могут рождаться или умирать. Каждая система, которая имеет начало, развивается от этого начала и рано или поздно приходит к концу или к качественному преображению. Те события, которые для нас важны - это события качественного преображения систем. Чем более велика система, чем больше подсистем она включает в себя, тем важнее её качественное преображение для всех нас. Так иерархия систем порождает иерархию времени и иерархию событий. Пространственная иерархия оказывается, в конечном счёте, пространственно-временной.

Теперь понятно, почему значимость события примерно обратно пропорциональна количеству событий такой значимости. Потому что можно условно считать, что значимость системы складывается из значимостей её подсистем, и с каждой системой может происходить некий небольшой набор важных событий (порядка 2--20 штук). Также понятно, почему влияние события примерно обратно пропорционально прошедшему с него времени. Просто потому, что на нас непосредственно влияют события, происходящие, с соседними системами и с надсистемами. Другие события влияют на нас через цепочку событий. Соответственно, чем больше времени прошло с момента некоторого события, тем больше промежуточных подсистем участвует в цепочке событий. Каждая промежуточная подсистема вносит свой вклад, уменьшающий влияние первоначального события. Соответственно, влияние события обратно пропорционально длине цепочки.

Осталось ответить на один вопрос, очень важный для нас в дальнейшем. Можно ли свести все процессы к физическим (механическим, гидродинамическим, электромагнитным, термоядерным, и.т.п.), а все науки – к физике? Циолковский считал, что можно сколь угодно сложную систему разложить на простые, свести их к механическому движению простых частиц. Простые частицы объединяются в сложные, те – в еще более сложные, и так постепенно возникают сложные живые и социальные организмы.

Действительно, мы можем рассмотреть любую систему на механическом уровне – на уровне атомов, молекул, простых твердых тел. Это рассмотрение даже может дать нам какие-то полезные знания. Но мы не можем свести любую систему к механической – нам помешает эффект целостности, который делает из системы нечто большее, чем сумма частей. На механическом уровне такому сведению помешают не только вычислительные проблемы (в кубическом сантиметре воздуха 10²⁷ молекул), но и принципиальная неразрешимость задачи трех и более тел в механике.

В предыдущей главе мы рассмотрели тела Солнечной системы только на уровне их физики и, в небольшой степени, химии. Собственно, для камней, пыли, малых тел и карликовых планет этого уровня вполне достаточно (следующий уровень – механика Солнечной системы в целом, о которой мы все равно ничего не можем сказать, потому что ее не понимаем). Но каждая из 27 (или, может быть, 26, не считая Мимаса) планет – самостоятельный мир, в котором происходят сложные процессы более высокого уровня. На Земле мы называем такие процессы биологическими и говорим, что на Земле есть жизнь. Но это просто потому, что Землю мы знаем лучше всего. Поэтому в ближайших 4 главах мы рассмотрим процессы, происходящие на Земле, и ее уникальную роль в Солнечной системе, а в последней главе кратко поговорим про другие планеты и покажем, что на них тоже вполне может быть жизнь.

Вселенная и Бог.

Вот теперь мы подошли вплотную к вопросу: как получилось, что каждая вещь имеет свою функцию? Ответ прост: каждая вещь является частью системы более высокого уровня. А структура системы, ее конструкция определяется так, чтобы исполнять нужные функции. Для систем с жесткой однозначно определенной структурой это очевидно - в такой системе каждый элемент имеет свое предназначение и создан для его выполнения. Для систем с гибкой, меняющейся структурой (в ДОТУ они называются суперсистемами) работает принцип изменчивости и наследственности, позволяющий системе приспосабливаться к требованиям внешней среды, т.е. системы более высокого уровня (это приспособление называется отбором).

Таким образом, вопрос о функции системы мы сводим к вопросу о функции системы более высокого уровня. Например, рука человека действует целенаправленно, потому что целенаправленно действует человек в целом. Целенаправленность каждого живого существа объясняется целенаправленностью биосферы Земли в целом, в соответствии с классической теорией эволюции. Биосфера Земли имеет цель в той же мере, в какой цель имеет вся Земля. Земля имеет цель потому, что ее имеет Солнечная система в целом. Где же обрывается эта цепочка?

В сторону уменьшения, очевидно, цепочка бесконечна. Действительно, мы уже говорили о том, что каждая вещь является системой - целым, которое может быть разбито на части. Человек состоит из органов, органы состоят из тканей, ткани состоят из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из элементарных частиц. В каждую эпоху развития физики существовали свои "элементарные частицы", на которые далее уже ничто не делится. Однако, само понятие элементарной частицы является относительным. Еще Ленин и, независимо от него, Циолковский, говорили о том, что электрон неисчерпаем и бесконечно сложен. В каком-то смысле, они были правы: при столкновении двух электронов могут возникнуть любые элементарные частицы, в зависимости от энергии, до которой электроны были разогнаны. Это значит, что электрон потенциально содержит в себе бесконечно много вещей, обладая неисчерпаемым запасом функций. В соответствии с принципом черного ящика, это значит, что электрон состоит из частей, которые подобны целому, т.е., он фрактален (континуален и неаддитивен).

Где же заканчивается цепочка, если двигаться в сторону увеличения? Земля - часть Солнечной системы, Солнечная система - часть Галактики, Галактика - часть шарового скопления, скопление - часть гипотетической Метагалактики, Метагалактика - ... завершается ли где-то эта цепочка? Если завершается, что получаем Вселенную как иерархически Наивысшую систему. Если же она бесконечна, то мы можем воспользоваться известным математическим приемом предельного перехода, исходя из принципа: "возрастающая последовательность к чему-нибудь да стремится - хотя бы и к бесконечности".

Применимость этого математического принципа может подвергаться сомнению в нашем случае. Поэтому стоит вспомнить аналогичное рассуждение все того же Аристотеля: "Во всех упорядоченных двигателях первый движет среднего, а средний --- последнего, будь средний один или будь их много. Если же устранить двигатель, перестает двигаться и движимое. Следовательно, если устранить первый двигатель, не мог бы двигаться средний двигатель. Но, если процесс в сфере двигателей уходил бы в бесконечность, никакой двигатель не был бы первым. Следовательно, останавливаются все другие, средние. Но это, очевидно, ложно. Отсюда следует, что цепочка двигателей конечна, а значит, есть первый двигатель". Так Аристотель выводит сущестование Перводвигателя, который средневековые схоласты позже отождествили с Богом. В современной физике роль Перводвигателя играет Большой Взрыв. Абсолютно такие же рассуждения можно применить к цепочке "целое-часть" - ведь, в конце концов, целое тоже в каком-то смысле движет свои части, придавая им цель. В таком случае, оказывается, что даже если цепочка вложенных объектов бесконечна, все равно существует Вселенная - самое широкое целое, включающее в себя все остальное.

Таким образом, если есть смысл и цель у Вселенной, то есть смысл и цель и у всех ее частей. Для верующего человека такой смысл есть и он воплощается в Боге. Бог есть сопряженный интеллект Вселенной и иерархически Наивысшее объемлющее управление. Но даже тот, кто не верит в Бога, обычно, видит во Вселенной некий смысл и цель, а себя мыслит как часть единого мирового процесса. Так, Циолковский называл Бога Причиной Вселенной, но смысл от такого названия не изменился.

Есть, впрочем, и такие люди, которые не верят в целесообразность Вселенной, считая ее каузальной системой - т.е., управляемой случайной, произвольной цепью причин, не имеющих никакого смысла. Но такой человек, обычно, не верит и ни в какие концепции, и потому данная Концепция предназначена не для него.

Есть и такие странные люди, которые считают, что целесообразность есть только в людях и животных, а все неживые системы не могут иметь цели и подчиняются тем целям, которые ставит перед ними некая "жизнь". Но в таком случае, Земля - это островок жизни, который можно отождествить со всей Вселенной. Вот, например, устроители конкурса "Мисс Вселенная" полагают, что самая красивая девушка на Земле - это автоматически самая красивая девушка во Вселенной. Они полагают, что нигде, кроме как на Земле, девушек нет. Таким же образом в иудаизме Бог мыслился как повелитель Земли и потому всей Вселенной.

Если мы скажем, что наш Бог - это Бог Солнечной системы, то уже сделаем огромный шаг вперед. Солнечная система - неизмеримо больше, чем Земля, в ней происходят процессы намного более низкой частоты. В ближайшую тысячу лет люди вряд ли будут ставить перед собой цели, выходящие за пределы Солнечной системы, и потому ее можно смело отождествить со всей Вселенной (с точки зрения нас, людей).

Живая Земля.

Астро-геологическая и био-климатическая система

В разнообразных научно-популярных и ненаучно-популярных "кратких курсах истории Земли" история нашей планеты описывается примерно так. Земля появилась примерно 4,6 млрд. лет назад - на втором, нестабильном этапе развития Солнечной системы - из облака частиц, которые сгустились вместе под действием гравитации (почему облако сгустилось именно на этой орбите? почему такого размера? случайность ли это? или промысел высших сил? современная наука на эти вопросы ответа не дает) - фаза аккреции. В результате сгущения облако нагрелось и превратилось в жидкий раскаленный шар - фаза расплавления. Шар начал остывать и покрылся твердой коркой. Поскольку период нестабильности Солнечной системы продолжался, остывающая Земля подвергалась интенсивной метеоритной бомбардировке, которая покрыла ее сетью кратеров – лунная фаза.

Фазу аккреции пережили все тела Солнечной системы, а фазу расплавления и лунную фазу - все планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс и другие планеты, которые тогда существовали в этом поясе). Планеты продолжали остывать, чему благоприятствовало прекращение нескончаемой бомбардировки – ведь Солнечная система стабилизировалась. После этого судьба планет земной группы сложилась очень по-разному. Судьба Земли после остывания определяется ее уникальной особенностью: сосуществованием твердого, жидкого и газообразного вещества в одной географической оболочке. Вероятно, во время бомбардировки на долю Земли пришлось больше ледяных астероидов, чем у других планет земной группы, поскольку на Земле оказалось больше всего воды. Причина понятна - Земля как самая большая планета притягивала больше всего астероидов. Благодаря этому, на Земле стали возможны климат земного типа, жизнь и биосфера – совокупность живых существ. Процессы в географической оболочке – это единство климата и биосферных процессов. Географическая оболочка является полем устойчивости биосферы - т.е., в конечном счёте, биосфера стремится занятьеё всю.

В детских книжках это описано как-то так: сперва Земля имела только геологическую историю - то есть, историю движения твердого вещества на Земле под действием внутренних (эндогенных) процессов. Затем появилась биосфера, которая развивалась, подвергаясь воздействию климата и, в свою очередь, меняя климат. Затем из биосферы выделился человек. Затем человек начал развиваться социально, развивать науку и технику. При этом в книжках, обычно, написано, что развитие происходит ускоренно, то есть, жизнь наша становится все быстрее и веселее. Где конец этому ускорению, не совсем понятно, но выше мы уже писали, что логарифмическая шкала («ускорение времени») порождается иерархией процессов. По книжкам вырисовывается такая иерархия:

астрономия -> геология -> климат -> биология.

А некоторые, самые умные, взрослые дописывают в эту иерархию еще и социум, и культуру. Однако, детские книжки не учитывают нескольких фактов:

Геологическая история Земли тесно связана с ее астрономической историей. Выше уже было сказано, как Луна влияла на геологию Земли. Есть основания полагать, что гравитационное воздействие Луны и Солнца на сейсмические процессы в недрах Земли продолжается до сих пор. Метеориты и астероиды, падающие на Землю, также меняют ее геологию. В частности, появляются метеоритные кратеры - порой очень немаленькие; есть версия, что бассейн Тихого океана порождён падением метеорита. В свою очередь, их падение и грандиозные извержения вулканов вызывают выбросы вещества с Земли в космос (считается, что таким образом метеориты могли попасть с Земли на Марс и даже занести туда жизнь). Таким образом, астрономия и геология до сих пор влияют друг на друга, хотя сейчас их влияние ослабло. Можно сказать, что Солнечная система ослабила свой контроль над Землей, позволив ей в большой степени развиваться самостоятельно.
Влияние геологии на климат и биосферу неоспоримо. Например, грандиозные извержения вулканов выбрасывают в атмосферу тонны пыли, которая, рассеиваясь верхними ветрами над всей Землёй, увеличивает альбедо и вызывает эффект «ядерной зимы» - резкое похолодание климата. Также движение плит и вулканизм стимулирует пресловутый карбонно-силикатный цикл, выбрасывая, заодно с пылью, парниковый углекислый газ.
Но астрономические факторы влияют на климат не меньше (а то и больше), чем геология. Влияние оказывают как высокочастотные процессы (солнечная активность, влияющая на магнитное поле Земли, на ионосферу, а через нее - на всю атмосферу), так и низкочастотные - например, изменение яркости Солнца или орбиты Земли. Через несколько млрд. лет Солнце, вероятно, остынет и превратится в новую звезду - так что нет оснований полагать, что предыдущие 5 млрд. лет оно грело с одинаковой силой. Что касается орбиты Земли, из-за влияния других планет она периодически становится то более круглой, то более вытянутой. На вытянутой орбите Земля, согласно третьему закону Кеплера, движется быстрее там, где она ближе к Солнцу и медленнее - там, где дальше от Солнца. То есть, теплые области Земля пролетает быстрее, а в холодных задерживается. Таким образом, чем более вытянута орбита, тем холоднее и контрастнее климат. Есть версия, что это и послужило причиной многих оледенений на Земле (а также, кстати, грандиозных изменений в климате Марса).
Время появления жизни на Земле, по последним исследованиям, отодвигается все дальше и дальше в прошлое. Как заметил ещё Вернадский, на Земле нет следов того времени, когда она не была бы затронута жизнью. Есть все основания полагать, что жизнь на Земле возникла сразу после ее остывания - то есть, как только появилась географическая оболочка (и климат земного типа).
Влияние астрономии, геологии и климата на биосферу очевидно – ведь они порождают пресловутые «условия среды», которые определяют эволюцию видов. Но биосфера также влияет на климат – например, дыхание и фотосинтез растений определяют состав атмосферы.

Отсюда однозначный вывод: развитие Земли с самого начала и до появления человека - это взаимодействие 2-х вложенных процессов:

низкочастотного астро-геологического процесса (внешний круговорот веществ - развитие Земли в целом как части Солнечной системы)
зависящего от него высокочастотного био-климатического процесса (внутренний круговорот веществ - развитие географической оболочки Земли).

Разумеется, развитие коры Земли, состоящей из осадочных и метаморфических пород (традиционно изучаемое геологией) - это часть био-климатического, а не асто-геологического процесса. Великие вымирания животных и изменения почв – тем более, био-климатический процесс. Как заметил Вернадский, кора Земли порождена биосферой и этим резко отличается от нижележащих слоёв. Вернадский был склонен (в этом ему вторят некоторые современные исследователи) вообще отрицать влияние мантии Земли на её кору - т.е. сводить астро-геологические процессы к чисто астрономическим. Но открытие тектоники плит, видимо, расставило всё на свои места.

Астро-геологический процесс на Земле был довольно прост и незатейлив. С 4,6 млрд лет назад до 4 млрд. лет назад длился катархей (гадей) - добиологическая история Земли: фаза расплавления и лунная фаза развития поверхности планеты. Важное отличие от лунных фаз других планет состоит в силе вулканизма. Он настолько силён, что не даёт Земле покрыться сплошной коркой – образуются несколько тектонических плит, плавающих по мантии. Плиты наползают друг на друга, образуя горы. Там, где плиты вздуваются под действием вулканических сил, возникают континентальные возвышенности. Есть версия, что океанские впадины возникли, как и на Луне, там, где плиты были продавлены ударами астероидов.

Земля постепенно остывала, и в какой-то момент температура на её поверхности стала ниже 100 градусов Цельсия. В этот момент вода из облаков конденсировалась на поверхности, образовав горячие грязные океаны, заполненные множеством химических веществ. Закончился период венерианского типа климата и начался период земного климата с круговоротом воды. Так после фазы аккреции, фазы расплавления и лунной фазы 4 миллиарда лет назад начался архей – эра (точнее, эон) первичной жизни. Образовалась био-климатическая система, которая, однако, не оказала серьёзного влияния на астро-геологическую систему (если не считать влияния на верхнюю часть коры Земли)

В этот же период заканчивается фаза нестабильности Солнечной системы. Заканчивается грандиозная астероидная бомбардировка Земли, Луна отдаляется, её приливное воздействие снижается - дальше планета развивается, в основном, под действием внутренних факторов. Вулканизм ещё очень силён, он перелопачивает первичную кору Земли, состоящую из анортозитов, образуя базальтовые породы. Образуется первый суперконтинент Ваальбара, омываемый первым океаном - в мантии циркулирует единая конвективная ячейка.

Ваальбара, продержавшись порядка 100-200 млн. лет, распадается под действием мощного вулканизма (одна конвективная ячейка на всю планету – это вам не шутка!). Единая конвективная ячейка в мантии распадается на несколько ячеек. Образуется несколько дрейфующих материков, которые под действием таинственных геологических сил вновь стягиваются друг к другу, образуя новый суперконтинент, омываемый единым суперокеаном. Эти таинственные геологические силы (нужно признаться честно: их природа пока не разгадана) действуют с периодом порядка 600 млн. лет, образуя всё новые суперконтиненты, распадающиеся за 100-200 млн. лет:

3.6 млрд лет назад – Ваальбара
3 млрд. лет назад – Ур
2.5 млрд. лет назад – Кенорланд
1.8 млрд. лет назад – Нуна (Колумбия)
1.1 млрд. лет назад – Родиния
300 млн. лет назад – Пангея
через 200-400 млн. лет Евразия-Африка, Америка, Австралия и Антарктида объединятся в новый суперконтинент Пангея Ультима.

…но к этому времени в процесс образования континентов, скорее всего, вмешается человек, который уже становится силой геологического масштаба. Но это уже совсем другая история – история био-климатической системы. Прежде чем говорить о ней, сделаем лирическое отступление, посвящённое жизни.

Живая Земля

Итак, своеобразие географической (био-климатической) оболочки Земли определяется её жизнью. В последней главе мы поговорим более подробно о том, что такое жизнь и где она наблюдается в Солнечной системе. А здесь лишь отметим основные свойства земной жизни. Дальше будет несколько страниц занудства, которое может показаться читателю очевидным - но читателю придётся потерпеть, ибо из этого занудства вытекают глубокие и нетривиальные выводы.

Мы уже заметили в предыдущей главе, что земная жизнь - это химическая жизнь. То есть, такая форма жизни, все действия которой сопровождаются химическими реакциями и основаны на реакциях. Мы уже заметили, что химическая жизнь - твёрдая, но зарождается в жидкости. В сущности, химическая жизнь - это совокупность связных твёрдых тел - организмов - которые перемещаются и взаимодействуют друг с другом.

Химическая жизнь возникла в самом начале архея. Первоначально органические вещества были занесены на Землю кометами с окраин Солнечной системы - соединения углерода в космосе широко распространены. Насколько сложными были эти вещества? То есть, в какой степени жизнь подарена Земле космосом, а в какой - результат чисто земной эволюции? Это неизвестно. Может быть, это были простейшие углеводороды, а может быть - аминокислоты, белки или даже готовые живые клетки (теория панспермии).

Организмы соревновались друг с другом за химические вещества, происходила химическая эволюция, и в результате возникла биологическая (белковая) жизнь. Белковая жизнь - это такая химическая жизнь, в которой основными веществами являются белки и ДНК (или РНК). Белки - строго говоря, вместе с другими органическими веществами - участвуют в большинстве химических реакций, а цепочки ДНК – катализаторы реакций белков. Белковая жизнь оказалась настолько успешной, что ныне на Земле это единственная форма химической жизни. Но большая часть сказанного дальше применима не только к белковой, но и к любой химической жизни (а значит, и к химической жизни других планет!)

Химические реакции в биологических организмах можно разделить на 3 группы:

Реакции синтеза органических веществ из простейших неорганических веществ: углекислого газа, воды, кислорода, азота, минералов. Реакции синтеза требуют затрат энергии (являются эндотермическими).
Реакции преобразования одних органических веществ в другие. Эти реакции могут идти как с затратами энергии из внутренних ресурсов организма, так и с выделением энергии.
Реакции разложения органических веществ на простейшую неорганику. Эти реакции протекают с выделением энергии (являются экзотермическими).

Живые организмы, будучи органическими системами, меняются и развиваются. Организмы могут рождаться и умирать, один организм может разделиться на несколько организмов, несколько организмов могут слиться в один. В случае слияния организмов А и В в организм С неясно, откуда берётся управляющий центр организма С. Если из организма А, то удобно сказать, что А поглотил В (а результат поглощения С - это просто растолстевший А). Если из организма В, значит, В поглотил А. При разделении одного организма на несколько частей ясно, что потомки должны иметь схожую с предком систему управления, схожую память и схожие цели. Поэтому и форма потомка будет схожа с одной из форм, которые принимает предок (в общем случае, предок может существовать в разных формах, как головастик и лягушка, или как паук-самец и паук-самка).

Процесс передачи форм от предков к потомкам называется наследственностью. При этой передаче, поскольку её осуществляют не механические, а органические вещества, форма может непредсказуемо меняться. Возможность недетерминированного изменения формы организмов в новом направлении, которое раньше не использовалось ими и их родителями, будем называть изменчивостью. Современная биология считает, что основную роль в изменчивости и наследственности играет ДНК. Разнообразие форм жизни на Земле – фенотипов - определяется (полностью ли?) заложенной в их ДНК генетической информацией – генотипами, которые хранятся в хромосомах. Хромосому можно разделить на участки – гены – кодирующие различную информацию. Строго говоря, делить на гены можно по-разному, и это деление иерархично: гены делятся на «подгены». Генотипы передаются по наследству – наследственность, но с незначительными модификациями (мутациями) генов или их перекомбинированием - изменчивость. Поэтому постепенно меняются и фенотипы – то есть, внешний вид живых существ и их поведение. Но фенотипы определяются не только генотипами. Например, расположение организма в пространстве-времени, очевидно, передаётся по наследству. Есть гипотеза, что могут передаваться и другие важные свойства (в том числе, приобретённые при жизни организма).

Два самых распространённых способа размножения: бесполое и половое. При бесполом размножении организм-предок порождает потомков, которые незначительно от него отличаются. При половом размножении новый организм порождают два родителя (один родитель играет – не обязательно врождённую - мужскую роль, другой - женскую), свойства которых случайным образом комбинируются в потомке. Таким образом, половое размножение приводит к куда большей изменчивости. Может быть, поэтому природа возлюбила половое размножение, сделав его очень распространённым - как мы увидим дальше, природа любит изменчивость и не даёт установиться однообразию.

Совокупность схожих форм организмов называется биологическим видом. Это определение довольно расплывчатое, но более точного определения ещё ни один биолог не предложил. Различия между организмами могут быть больше или меньше. Группируя вместе организмы с меньшими различиями, получим иерархическую классификацию: царство – тип – класс – отряд – семейство – род – вид – подвид. В результате действия изменчивости живые существа в течение истории Земли меняются, появляются новые виды, а также роды, семейства, и вообще сколь угодно широкие группы организмов. Это установленный факт. Этот процесс развития жизни называется биологической эволюцией (как мы увидим в последующих главах, к эволюции способны любые органические системы, а не только биологические и даже не только химические).

Итак, организм порождает другие организмы (возможно при активном участии других представителей своего вида или даже других видов) - размножение. В результате новый организм рождается, растёт, размножается, исполняет свои цели. Поскольку многообразие целей организма не может быть бесконечным, рано или поздно он исполняет все свои цели, при этом постепенно стареет и, в конце концов, умирает. Для роста организму нужно вещество и энергия - то есть, питание. В процессе питания организм поглощает некоторые вещества и выделяет некоторые другие вещества - происходит обмен веществ.

Рассмотрим подробнее важнейший вопрос о питании. Изначально первые живые существа были вынуждены синтезировать белки из простейших веществ, ибо больше питаться им было нечем. Организмы, которые питаются простейшими небелковыми веществами, называются автотрофными. Автотрофным организмам для синтеза белков нужна энергия. На Земле много источников энергии, но для синтеза белков нужна довольно высокая плотность энергии. Такую плотность обеспечивает только солнечная энергия, энергия экзотермических химических реакций в коре Земли, энергия недр и ядерная энергия. Первые два вида энергии дают два класса организмов-автотрофов - фототрофы, питающиеся солнечной энергией, и хемотрофы, питающиеся энергией экзотермических реакций. Соответственно, процессы синтеза белков в этих организмах называются фотосинтезом и хемосинтезом. Организмы, питающиеся энергией недр, пока не обнаружены — но, скорее всего, они существуют. Когда я писал этот раздел, я ещё не знал о существовании организмов, питающихся ядерной энергией, но предвидел его — и действительно, оказалось, что некоторые бактерии и грибы на это способны.

Впрочем, только солнечная энергия распространена по всей Земле и стабильно доступна всегда, кроме ночных часов. Поэтому фототрофные организмы: растения и сине-зелёные бактерии (цианобактерии), а также некоторые другие бактерии - занимают большую часть Земли.

Итак, автотрофные организмы нуждаются не только в простейших веществах, но и в энергии для своей жизнедеятельности. Однако энергии им всё равно постоянно не хватает, и потому они малоподвижны (за исключением самых маленьких организмов). К тому же, автотрофные организмы, размножаясь и распространяясь по Земле, в какой-то момент столкнулись и с нехваткой веществ. Между тем, есть простой способ получать вещество и энергию - пожирать другие организмы! В какой-то момент появились организмы, которые пошли по этому пути - гетеротрофы. К гетеротрофам относятся животные, грибы и некоторые виды бактерий. Выкачивать вещества и энергию из других организмов можно по-разному: фитофаги (травоядные) едят растения и грибы, хищники - живых животных, детритофаги (падальщики) - мёртвых, сапрофиты разлагают мёртвые организмы на простые части, а паразиты не уничтожают другие организмы, а лишь потребляют часть их веществ и энергии.

Таким образом, организмы, используя друг друга, образуют пищевые (трофические) цепи, соединяющие разные виды. Если быть точным, один организм может быть пищей для нескольких видов, поэтому правильно говорить о пищевых (трофических) сетях, которые математически моделируются графами. Автотрофные организмы находятся в начале пищевых сетей (им соответствуют инициальные вершины графов) и называются продуцентами (производителями), ибо производят органические вещества и энергию. Гетеротрофные организмы, которые их пожирают, называются консументами (потребителями). Строго говоря, терминальных (конечных) звеньев в пищевых сетях нет, ибо органическое вещество никогда не пропадает зря и всегда кем-нибудь используется. Кстати, по этой причине химическая эволюция на Земле более невозможна - все сложные химические вещества, как только возникают, быстро потребляются хемотрофами или гетеротрофами. В то же время, количество биомассы (массы органических веществ) на Земле не увеличивается, поскольку часть биомассы разлагается сапрофитами в неорганику. Поэтому сапрофитов иногда считают конечными звеньями пищевых сетей и называют редуцентами, хотя, в действительности, они тоже пожираются детритофагами.

Не стоит, конечно, думать, что организмы спокойно дают себя пожирать, повинуясь приказам высших уровней иерархии. Так бы вели себя механические системы - но не органические. Всякая органическая система имеет собственную волю и стремится к собственным целям. Первичными в векторе целей организма всегда является выживание, в векторе целей вида - его распространение посредством размножения. Если и хищник, и жертва хотят выжить, их интересы неизбежно сталкиваются друг с другом. Основой гармонии природы является не мирная идиллия, а борьба не на жизнь, а на смерть! Если быть точным, два вида А и В могут быть связаны такими взаимоотношениями:

полезны и для А, и для В - симбиоз
полезны для А, нейтральны для В - комменсализм (например, отношения между животным и падальщиком или между животным и нахлебником, доедающим его пищу)
полезны для А, вредны для В - хищничество или паразитизм
нейтральны и для А, и для В - нейтрализм
вредны и для А, и для В - конкуренция (за пищу или за солнечную энергию)
нейтральны для А, вредны для В - аменсализм (чаще всего это конкуренция, в которой один из видов заведомо сильнее).

Как ни странно, сложнее всего в прекрасной и гармоничной природе привести примеры симбиоза. Чаще всего они не сводятся к питанию, а включают в себя более сложное поведение организмов (например, А живёт в доме В и чистит В зубы). Относительно замкнутая совокупность организмов, связанных всеми вышеупомянутыми взаимоотношениями, называется биоценозом. Биоценозы, как и всё в природе, организованы иерархически: большие биоценозы включают в себя меньшие. Самый большой биоценоз - биосфера Земли. Самый маленький биоценоз - отдельный организм, внутри которого, между прочим, могут жить другие организмы. Биоценозы, как и отдельные организмы, могут рождаться, умирать, расти, уменьшаться, сливаться, разделяться и поглощать другие биоценозы. У биоценоза, как и у любой системы, есть свой вектор целей, на первом месте в котором стоит выживание. Представители вида, живущие в некотором биоценозе - это популяция. У популяции - свой вектор целей, на первом месте - размножение и увеличение численности.

Каковы цели биосферы Земли? Сохранение стабильности и «гармонии» в качестве цели сразу отметаем. О какой-то гармонии можно было говорить в эру существования автотрофных организмов (в архее) – затем наступили миллиарды лет кровавой каши с появлением всё новых и новых видов. Каков же смысл этих непрерывных изменений? Чтобы понять цели биосферы, попробуем сперва понять: каковы цели отдельных биоценозов? Каковы цели популяций и организмов, кроме выживания и размножения?

Хищники, жертвы и конкуренты.

Сложно понять, как функционируют сложные биоценозы – тут едет крыша даже у экологов. Поэтому попробуем понять, как функционируют простейшие биоценозы. Рассмотрим несколько простых математических моделей, которые проиллюстрируют развитие популяций. Математические модели экологии можно рассматривать на таких масштабах времени:

Онтогенетический масштаб времени (дни - десятки лет) связанный с ростом, размножением, старением и смертью отдельного организма. Поскольку организмы - дискретные единицы, онтогенетические модели дискретны во времени, а может быть, и в пространстве. На онтогенетическом масштабе времени, обычно, сложно оценить качественные и асимптотические свойства модели, зато можно строить наглядные компьютерные модели.
Больший масштаб времени (десятки - тысячи лет), на котором время можно считать непрерывным. Это позволяет приближенно моделировать развитие биоценозов автономными дифференциальными уравнениями. Подобные модели не очень точны, зато позволяют делать достаточно общие выводы.
Филогенетический масштаб времени (тысячи - десятки миллионов лет), на котором уже становится заметна изменчивость организмов и популяций и эволюция видов. В таком масштабе времени биоценозы моделируются неавтономными дифференциальными уравнениями.
Периоды развития астро-геологической системы (сотни миллионов - миллиарды лет). Тут уже дифференциальные уравнения не прокатят – надо рассматривать динамические процессы с двухуровневой иерархией времени (что и будет сделано в следующем разделе).

В простейшем случае популяции связаны симбиозом и имеют одинаковую скорость воспроизводства (пропорциональную коэффициенту фертильности) a, а количество ресурсов неограниченно. Получим модель Мальтуса, которая описывается уравнением x' = ax с решением - экспоненциальный рост со скоростью a. Эта же модель применима к биоценозу из 2 популяций A и B, в которых A позитивно зависит от B (комменсализм), при этом скорость роста в популяции A равна a, а в популяции B - b < a. Вообще, модель применима к системе популяций, связанных отношением комменсализма и симбиоза, если более “медленные” популяции зависят от более “быстрых”.

Но сам же Мальтус выявил границы применимости модели: возможна зависимость более быстрых популяций от более медленных. Мальтус рассматривал зависимость человечества, растущего в геометрической прогрессии, от сельского хозяйства, которое, по его мнению, растет в арифметической прогрессии (но адекватную числовую модель так и не построил). Разумеется, это неправильно: сельское хозяйство (о котором мы скажем ниже) растет в геометрической прогрессии, но ограничено ресурсами, вроде территории, которые можно рассматривать как популяцию, растущую со скоростью 0, т.е., постоянную.

Модель Ферхюльста применима к системе с теми же предположениями, что в модели Мальтуса, но с ограничением в виде конечного ресурса (например, территории). Эта модель применима к автотрофам, падальщикам и сапрофитам. Она описывается уравнением x' = a (1-x/N) x, где N - количество имеющегося ресурса.

Решение:

То есть, имеется равновесное значение x(t) = N, к которому стремится значение x(t), образуя логистическую кривую.

В случае, когда популяция, растущая со скоростью a, зависит от популяции, растущей со скоростью b, после несложных преобразований получаем

При a > b x(t) асимптотически стремится к , при a = b - к , при a < b – к , как в модели Мальтуса. Иначе говоря, более медленная популяция ограничивает темп роста зависящей от нее более быстрой. Если рассматривать сеть популяций, зависящих друг от друга, получим систему, в которой самая медленная популяция в каждой компоненте сильной связности задает темп роста в этой компоненте.

Другой вариант модели с ограничением ресурса получится, если в отсутствие ресурса организмы не умирают, а лишь замедляют (или вовсе прекращают) размножение. Результат - тот же, что и в предыдущей модели: равновесное значение x(t) = N, к которому стремится значение x(t), образуя логистическую кривую. Аналогично, в случае зависимости популяций более медленные популяции ограничивают рост более быстрых. На филогенетическом масштабе времени картина принципиально не меняется.

Простейшая модель конкуренции - это обобщение логистической модели, исходящее из того, что набор популяций 1,... n использует общий ресурс в количестве N :

где a_i - фертильность, а b_i - эффективность использования ресурса i-й популяцией. Равновесий бесконечно много, они образуют плоскость , которая является аттрактором. Содержательно, это означает, что в случае конкуренции видов устанавливается равновесие, в котором более приспособленные – более фертильные и эффективные - популяции получают больше, менее приспособленные - меньше. Однако более приспособленные отнюдь не истребляют менее приспособленных! Как только ресурсов начинает не хватать, "сильные" вдруг сами становятся "слабыми". Однако, любое случайное отклонение от равновесия выгодно более приспособленным видам, ибо позволяет им “урвать” еще некоторое количество ресурсов.

Вот тут начинается самое интересное! Конкуренция – один из важнейших механизмов биологической эволюции, ибо он позволяет вырваться вперёд организмам, более приспособленным к окружающей среде. Однако, на её примере мы видим и ограниченность известного слогана «выживают наиболее приспособленные». Во-первых, менее приспособленные, как мы видим, тоже выживают. Во-вторых, выполняется универсальный закон экологии (и не только её): большая приспособленность означает большую специализацию и меньшую универсальность. Про те популяции, которые, изменяясь, приспосабливаются к среде быстрее других, говорят, что у них происходит опережающая специализация.

Опережающая специализация по фертильности ничего не меняет, ибо не выводит биоценоз из равновесия. Опережающая специализация по эффективности использования ресурсов постепенно сдвигает количество популяций вдоль равновесной плоскости, но никогда не приводит к полному уничтожению каких-либо популяций. При аменсализме же доминирование по эффективности использования ресурсов становится абсолютным - сильные отбирают у слабых все ресурсы, и только в этом случае доминируемые виды погибают и устанавливается конкуренция уже среди доминирующих.

Конкуренция на выживание и спасение от хищников – или просто от неблагоприятных био-климатических условий – выглядит более эффектно. Ясно, что при бесполом размножении обратная связь – линейная: количество погибающих организмов пропорционально количеству уже имеющихся: x’ = ax для сильных организмов, y’ = by, b < a для слабых организмов. В результате количество слабых организмов будет сокращаться в геометрической прогрессии, так что довольно скоро они исчезнут. При половом размножении решающую роль играет сочетание генов и плоидность – количество хромосом у родителей. У гаплоидных организмов в клетках один набор хромосом, и поэтому потомок получает ген случайным образом от отца или от матери – или от какого-то определённого родителя, если ген связан с полом (есть такая легенда, что у людей интеллект передаётся по матери). Результат – тот же, что при бесполом размножении, просто отбраковка слабых организмов идёт в 2 раза медленнее.

У диплоидных организмов в клетках 2 набора хромосом. Потомок получает в свою первую хромосому некие гены отца (случайно выбранные из 2 хромосом), во вторую – гены матери. Казалось бы, зачем нужна такая сложная схема? А вот зачем. Фенотип определяется по каждому гену таким образом: в одной хромосоме ген имеет вид одной аллели, в другой хромосоме – другой аллели. «Перемешать» и «усреднить» аллели получается не всегда (как можно смешать, скажем, карие и голубые глаза?). Природа пошла по более изящному пути: в первую очередь брать для фенотипа доминантные аллели, игнорируя рецессивные. В результате для доминантных аллелей идёт та же линейная обратная связь и отбраковка в геометрической прогрессии, ибо у «ослабленного родителя» обязательно будет пропорциональное количество «ослабленных» потомков. Рецессивная же «ослабленная» аллель проявляется в фенотипе и отбраковывается только тогда, когда встретятся двое чудаков с такой аллелью. В результате, если частота «аномальной» аллели в популяции равна x, то скорость её отбраковки пропорциональна квадрату x:

поэтому всяческие рецессивные аномалии исчезают не со скоростью геометрической прогрессии, а гораздо медленнее – как 1/t. В результате, благодаря диплоидности, в биоценозе очень медленно пропадают всяческие наследственные аномалии и уродства, даже ведущие к быстрой смерти (например, у людей - гемофилия), а также и полезные изменения, уменьшающие специализацию биоценоза. К каким только ухищрением не прибегает природа, чтобы увильнуть от пресловутого “отбора наиболее приспособленных”! Полиплоидность, то есть, более 2 хромосом в клетке, тут уже была бы излишним ухищрением, поэтому она встречается редко.

Простейшую модель биоценоза с двумя популяциями и хищничеством (или паразитизмом, или поеданием растений фитофагами) предложили Лотка и Вольтерра. Общая модель выглядит так:

где y(t) - численность хищника, x(t) - численность жертвы, k(y) - скорость размножения хищника, f(x) - скорость размножения жертвы, q(y) - скорость умирания хищников от голода, B(x, y) - трофическая функция (она же скорость выедания), которая показывает, какое количество из предоставленных ему жертв поймает средний хищник. Чем выше эффективность хищника и ниже эффективность жертвы, тем эта функция больше.

В простейшей модели Лотки-Вольтерра f(x) = a, B(x, y) = sxy, k(y) = b/s, q(y) = d. Есть две точки равновесия. Первая, тривиальная, когда обе популяции исчезают: x = y = 0. Вторая точка равновесия: x = b/d, y = a/s. Это равновесие типа “центр”, вокруг которого численность хищников и жертв совершает периодические колебания. Хищников становится больше - они кушают больше жертв - жертв становится меньше - численность хищников с голодухи тоже уменьшается - жертвы спокойно плодятся - хищники радостно едят их и множатся. Это равновесие не является структурно устойчивым. То есть, при малых изменениях модели мы получим либо стремление к стационарному состоянию, либо, напротив, “разбалансировку”, когда численность хищников и жертв будет колебаться со все большей амплитудой. Теоретически, такие колебания могут продолжаться бесконечно, а на практике они означают вымирание популяций, когда они пройдут достаточно близко к точке (0, 0). Возможность выживания либо вымирания никак не зависит от степени приспособленности хищников и жертв к среде!

Рассмотрим теперь более общую модель "хищник-жертва", предполагая, во-первых, ограниченность ресурсов для жертв, во-вторых, то, что хищник может съесть лишь ограниченное количество жертв. Т.е., трофическая функция зависит от количества жертв на одного хищника и имеет вид B(x, y) = B(x/y)y (RD-функция). Хорошо приближена к реальности логистическая RD-функция

которая при маленьком числе жертв линейно зависит от количества жертв, а при большом числе жертв линейно зависит от количества хищников. В этом случае модель принимает вид

Исследование на устойчивость нетривиального равновесия (там, где оно есть) показывает, что эта устойчивость зависит от соотношения величин a (фертильности жертв), d (фертильности хищников) и s (способности хищника ловить жертв). Казалось бы, чем больше фертильность жертвы, тем больше у популяции жертв шансов на выживание и, чем более искусно хищники ловят жертв, тем больше у хищников шансов на выживание. Ан нет! Возможны такие случаи:

1. Жертвы быстро размножаются, а хищники эффективно их ловят. Казалось бы, и те, и другие хорошо приспособлены к среде - но это и оказывается губительным. Хищников и жертв скоро станет очень много, хищники съедят всех жертв и вымрут. Впрочем, если изначально хищников было мало, у жертв есть шансы выжить, а хищники все равно вымрут.

2. Жертвы быстро размножаются, а хищники неэффективно их ловят. В этом случае жертвы выживают, а хищники вымирают.

3. Жертвы медленно размножаются, а хищники эффективно их ловят. В этом случае, разумеется, вымирают и те, и другие.

4. Жертвы средненько размножаются, а хищники хорошо их ловят. В этом случае, если изначально хищников было мало, система стремится к устойчивому равновесию или к устойчивому предельному циклу. Иначе все вымирают.

5. Жертвы средненько размножатся, а хищники плохо их ловят. В этом случае, система стремится к устойчивому предельному циклу.

6. Жертвы медленно размножаются, а хищники плохо их ловят. В этом случае, система стремится к устойчивому равновесию.

Поскольку на филогенетическом масштабе времени неизбежны случайные колебания численности (например, из-за изменений климата), устойчивым оказывается только тот случай, когда жертвы размножатся медленно или средненько, а хищники плохо их ловят. Иначе говоря, биоценоз выживает лишь в том случае, когда и жертвы, и хищники плохо приспособлены к среде!

На филогенетическом масштабе времени происходит увеличение эффективности хищника и жертвы, а значит, по закону компенсации, их специализация. Опережающая специализации жертвы - увеличение фертильности, очевидно, ведет к разбалансировке системы, увеличению амплитуды колебаний и вымиранию хищника. После этого, обычно, появляется другой хищник. Опережающая специализация жертвы в области ухода от хищника ведет к уменьшению количества хищников, но безопасна для системы (хищники всегда выживут, ловя слабых и детей).

Опережающая специализация хищника гарантированно ведет к гибели биоценоза, если, конечно, хищник не успеет найти другую жертву. Поэтому, обычно, перестройка биоценоза начинается с опережающей специализации жертвы, за которой следует смена хищников, специализация хищника, за которой следует смена хищников, специализация хищников, смена жертв.

В биоценозах с множеством хищников и жертв поведение биоценоза может быть более сложным, но общий принцип сохраняется: наиболее устойчивы системы, в которых популяции менее специализированы. Увеличение специализации ведет к краху сложившихся отношений и перестройке системы.

Вывод: естественный отбор, конечно, уничтожает слабых и больных, но отнюдь не способствует тому, что выживают наиболее сильные и эффективные. Конечно, сильных и эффективных постепенно становится больше, но если их станет слишком много, это грозит гибелью всему биоценозу. Возникнет "революционная ситуация", в которой выживут менее приспособленные, но более универсальные организмы, чьи способности ранее были недооценены.

Таким образом, стабильный биоценоз автотрофен, но в результате эволюционного (революционного) скачка может вдруг стать гетеротрофным, поглотить соседний биоценоз и снова вернуться к автотрофному состоянию.

А вот теперь - краткий курс истории Земли.

Точнее, био-климатической системы Земли, ибо мы уже поняли, что это и есть главная достопримечательность планеты Земля. Био-климатический процесс можно условно разбить на следующие этапы:

(4 млрд. - порядка 3.8 млрд. лет назад) Начинается архей и возникает био-климатическая система. Вода перелопачивает анортозитовую кору и базальты, образуя месиво из базальтов и метаморфических пород. Осадочных пород в эту эру пока ещё мало. Кстати, на других планетах земной группы никаких метаморфических пород и в помине не было: на Меркурии и Луне сохранилась анортозитовая кора, на Венере она полностью залита базальтами, на Марсе - частично.
Этап химической эволюции, в результате которой из первичной органической каши образуются кирпичики жизни - ДНК и белки. Атмосфера вначале была очень плотной, состояла, в основном, из водяного пара, пар застилал солнце, вода была мелкой и ядовитой, продолжалась астероидная бомбардировка - но, несмотря на это, биологическая жизнь на Земле возникла практически мгновенно, за какие-то жалкие десятки миллионов лет! В воде развиваются простейшие доядерные бактерии (прокариоты). Земля охлаждается, водяной пар конденсируется, вода поглощает углекислый газ, так что плотность атмосферы постепенно приближается к современной. Атмосфере для полного счастья не хватает только кислорода.
(3.8 млрд. - 2.2 млрд. лет назад) Архей продолжается. В океане появляются ядерные бактерии, половое размножение (понятно уже, для чего оно нужно?) и колонии бактерий. Они выкачивают углекислый газ из атмосферы, выделяя кислород. Кислород взаимодействует с веществами, растворёнными в океанах - прежде всего, с железом - образуя оксиды, которые оседают на дно. Постепенно океаны очищаются, становятся прозрачными, а на дне оседают осадочные породы. В конце периода произошло грандиозное оледенение, видимо, как-то связанное с орбитой Земли или с солнечной активностью. Однако оно не смогло уничтожить возникшую в архее жизнь.
(2.2 млрд. - 570 млн. лет назад) Протерозой. Простейшие организмы продолжают развиваться. В результате развития колоний клеток появляются многоклеточные растения (водоросли), в которых различные клетки не просто тупо соединены в колонию, а специализированы. При этом по всей Земле в течение миллиарда лет сохраняются и множатся их конкуренты-фототрофы - строматолиты - сине-зелёные бактерии, которые дышат углекислым газом и выделяют кислород. Строматолиты образовывали огромные колонии - метровых и даже километровых размеров. Поскольку кислород в архее уже провзаимодействовал со всем, с чем только мог, теперь свободный кислород ни с чем не взаимодействует и выделяется в атмосферу - произошла кислородная катастрофа.
В результате, погибло большинство анаэробных организмов, приспособленных к бескислородной атмосфере (поэтому правильно называть их "аоксигенными"). Зато появились животные-фитофаги, поглощающие кислород и выделяющие углекислый газ. Однако, биоценозы с фитофагами – локальные, в основном, на дне океанов, а большая часть биосферы по-прежнему занята фототрофами. В результате азотно-углекислая атмосфера Земли постепенно превратилась в азотно-кислородную. Из-за уменьшения количества парникового углекислого газа наступило глобальное похолодание.
Похолодание произошло в неопротерозое, который делится на тоний, криогений и венд (он же эдиакарий, он же эокембрий). Белые полярные шапки Земли начали разрастаться. Снег и лед имеют большое альбедо – отражают большой процент солнечных лучей. Начался эффект самоусиления альбедо: чем холоднее, тем больше снега, а чем больше снега, тем холоднее. Есть версия (маловероятная), что в результате вся Земля покрылась снегом и стала напоминать огромный снежный ком. В этом случае океаны покрылись толстой коркой льда, так что Земля стала похожа на планету Энцелад, а озябшие живые организмы грелись на дне океанов в горячих ключах «черных курильщиков» - на поверхности жизнь была невозможна. Наступила долгая великая зима. Произошло самое грандиозное массовое вымирание видов в истории - докембрийское вымирание, в результате которого исчезали целые биологические типы. Между тем, геологический процесс создавал просачивание газов из недр Земли в океаны и в атмосферу. Атмосфера снова наполнялась углекислым газом. Криогений сменился вендом.
(570 млн. лет назад - до наших дней). Фанерозой. В результате нового парникового эффекта лед начал таять. Потеплело. Снова начала развиваться жизнь. Растительные организмы потребляли углекислый газ (и немного кислорода), выделяли кислород (и немного углекислого газа). Равновесие в атмосфере вновь начало смещаться. Но потепление создало все условия для развития животных, которое остановило бесконтрольное лавинообразное размножение растений и окончательно установило равновесие газов в атмосфере. Строго говоря, венд тоже надо отнести к фанерозою - просто в венде ещё не было организмов со скелетом, поэтому ископаемые вендские останки гораздо более скудны и резко отличаются от фанерозойских.

В фанерозое, благодаря установлению равновесия растений и животных, био-климатическая система Земли окончательно стабилизировалась на низких частотах; её развитие и изменение продолжилось на высоких частотах. Отныне на низких частотах господствуют астро-геологические процессы, которые и определяют развитие биосферы и массовые вымирания. Фанерозой можно условно разделить на следующие этапы:

(570 млн. - 440 млн. лет назад). Палеозой. Потепление создало все условия для нового грандиозного развития животных - кембрийского эволюционного взрыва, который произошёл в первом периоде палеозоя - кембрии. Второй период палеозоя - ордовик - был относительно спокойным.
(440 млн. - 340 млн. лет назад) Палеозой продолжается. Периоды силур и девон. Опережающая специализация растений – их выход из воды на сушу (которая в это время ещё состоит из нескольких континентов). Растения постепенно заселяют всю Землю, но животные - черви и рыбы - продолжают плавать в воде.
(340 млн. - 250 млн. лет назад) Палеозой продолжается. Периоды каменноугольный и пермский. Выход животных (земноводных, позже пресмыкающихся) из воды на сушу. Кроме того, появились насекомые, которые заселили третью стихию - воздушную. Так начался период, в котором биосфера охватила всю географическую оболочку Земли. В пермском периоде, видимо, из-за астро-геологических причин, произошло грандиозное потепление и вымирание 90% видов.

(250 млн. - 65 млн. лет назад) Мезозой. Вымирание, как обычно, привело к новому эволюционному взрыву - на этот раз, к бурному развитию пресмыкающихся. Подъем птерозавров в воздух и освоение ими атмосферы. Это был период тёплого тропического климата, период расцвета самых сложных и высокоорганизованных животных - класса пресмыкающихся, в основном, надотряда архозавров (из которых наиболее известны динозавры). В середине мезозоя произошло большое вымирание динозавров, видимо, из-за внутренних биологических причин (опережающее развитие хищников).
(65 млн. лет назад - до наших дней) Кайнозой. Мезозойская идиллия архозавров была неожиданно нарушена астро-геологическими факторами. Большинство архозавров, в том числе, динозавры, вымерли (выжили только крокодилы). Есть версия, что причина этого - падение астероида, которое вызвало похолодание климата. Но, независимо от каких-либо астероидов, в кайнозое наступило грандиозное долгое похолодание. Холоднокровные пресмыкающиеся перемёрли. Выжили теплокровные существа - млекопитающие. Млекопитающие - новые властелины планеты - обладали невиданной ранее приспособляемостью к различному климату, благодаря своей системе подогрева тела. Они могли перемещаться из одного климатического пояса в другой, быстро изменяясь. В результате в ничем не примечательном отряде приматов однажды в плиоцене (5 млн. лет назад), в канун очередного великого оледенения, появилось новое семейство прямоходящих гоминид, в котором возник род Homo (человек).

Когда животная жизнь вышла на сушу, существовал лишь один суперконтитент Пангея (слившийся из остальных континентов). Но в мезозое из-за дрейфа плит этот огромный континент начал двигаться, распадаться, его части расходились, так что в результате возникло множество континентов на разных частях земного шара с крайне различными условиями (вплоть до того, что экваториальная область переместилась к южному полюсу и стала Антарктидой). Геологическая особенность Земли - её расчлелённость на плиты и разделённость линейными формами рельефа - сыграла очень важную роль в формировании разнообразия биосферы. Водные пространства и горные хребты изолировали разные популяции друг от друга, позволяя им развиваться самостоятельно. Так что отнюдь неспроста на нашей планете так много разнообразных видов растений и животных.

5 версий эволюции

Итак, мы перечислили некоторые установленные факты и выяснили, что на Земле происходит биологическая эволюция, в результате которой возникают новые виды. Дальше факты заканчиваются и начинаются вопросы. Почему эволюция протекает именно так, а не иначе? В какую сторону она движется? Разнообразные теории эволюции можно так сгруппировать и кратко описать по степени возрастания научности (и правдоподобия):

Креационистские теории: Земля вместе со всеми живыми существами была сотворена Богом из ничего. Процесс сотворения, по определению, одномоментный: жизни на Земле не было, и вот она внезапно появилась. Можно спорить, в какой момент она появилась, и как развивалась после появления – но это для креационистов вопросы второстепенные.
Теории «планируемой эволюции»: Бог создал живых существ не сразу, а постепенно, управляя процессом их развития и контролируя изменчивость. Таким образом, эволюция – это грандиозный строительный процесс создания видов, протекающий по неведомому нам плану.
Теории «инопланетного заговора» отличаются от теорий «планируемой эволюции» только тем, что место Господа занимают инопланетяне. Впрочем, есть и более разумные модификации этой гипотезы: например, гипотеза Циолковского о Земле как экспериментальной площадке для выведения новых видов.
Телеологические теории эволюции периодически выдвигаются учеными, находящими в оппозиции к дарвинизму – начиная с Ламарка и кончая Бергом. Общая черта этих теорий: стремление к совершенствованию и созданию новых видов считается присущим самим живым существам (растениям и животным). Таким образом, эволюция управляется не «извне», а «изнутри».
Эволюционный дарвинизм считает главным фактором эволюции «естественный отбор». Многие профаны понимают естественный отбор неправильно, как некий процесс «соревнования» существ между собой за жизнь и размножение. Такой подход порождает множество логических ошибок, которые мы предоставим выискивать читателю (пусть подумает: как могут соревноваться шахматисты, которые от партии к партии меняют себя, друг друга, расстановку фигур и даже правила игры?). А также, что более опасно, такие ошибочные теории развития общества, как социал-дарвинизм. Но можно очистить дарвинизм от всяческой шелухи (вроде «генотипов» и «фенотипов», которые, на самом-то деле, большой роли не играют – у Дарвина о них, разумеется, не было ни слова) и найти его подлинный смысл. О.Э. Костерин в замечательной статье «Дарвинизм как частный случай бритвы Оккама» формулирует его так: дарвинова эволюция – это то, что само собой (в силу … случайности) происходит с изменчивыми самовоспроизводящимися объектами, предоставленными самим себе.
То есть, дарвинизм отрицает какую-либо целенаправленность в эволюции (как внешнюю, так и внутреннюю), и, таким образом, является научной антитезой телеологических теорий.

Если начать анализировать эти теории, становится ясно, что все они в той или иной степени неубедительны. Самые неубедительные, конечно, первые теории, наименее неубедительные – последние. На них можно привести такие возражения:

I. Первая теория вообще-то абсолютно бессодержательна, и спорить с ней не имеет смысла. Говоря «бессодержательна», я отнюдь не хочу оскорбить чувства верующих в Сотворение Мира или усомниться в сем факте. Просто, эта теория дает нам ноль информации о прошлом Земли. Действительно, допустим, что 5 тысяч лет назад Господь сотворил Землю и всех живущих на ней тварей из ничего. Процесс Сотворения, как и полагается чуду, противоречит всем законам природы, так что выяснить его смысл и последовательность, опираясь на имеющиеся данные, мы не можем никак. Есть ископаемые останки существ, которым миллионы лет? Правильно, Богу было угодно сотворить эти останки. Есть свидетельства, что Земля возникла 5 миллиардов лет назад? Так ведь Всемогущий Творец мог создать Землю в таком состоянии, как будто она появилась гораздо раньше. По такой логике, Он мог бы сотворить весь мир и 1 секунду назад и вложить в наше сознание память о прошлом времени.

Тут важно даже не то, можем ли мы приписывать Богу повадки обманщика и карточного шулера (или, может быть, это ученые нас обманывают?). Важно то, что есть законы развития Земли как целостности и составной части Солнечной системы. Если было какое-то чудо, давшее толчок этим законам, мы все равно никак не сумеем его обнаружить. Поэтому наша задача – исследовать сами законы, опираясь на имеющуюся информацию.

II. Вообще-то, теория «планируемой эволюции» полностью согласуется с ДОТУ и с нашими рассуждениями о частях и целом. Есть планета Земля как целостность, есть некая управляющая ею система – условно говоря, эгрегор Земли. Эта система развивает все живое на Земле, достигая некоторых поставленных целей. Скажем, в результате «планируемой эволюции» на Земле появляется разумное существо – человек.

Главный вопрос, который может поставить озадаченный палеонтолог перед сторонником этой теории – а зачем нужно было так много времени? Эволюция – это процесс, растянутый на миллиарды лет, в котором каждое последующее поколение отличалось от предыдущего небольшими изменениями в нескольких генах, почти не влияющими на фенотип. Более того, доказано, что изменения видов шли в разные стороны, сопровождались остановками, разветвлениями, отступлениями назад, уничтожением негодных видов и прочей деятельностью, которая не очень-то похожа на реализацию разумного плана.

Если, конечно, мы считаем, что целью плана было создание определенного вида. А какого вида? Уж не человека ли? Непредвзятый наблюдатель немало посмеется над такой манией величия. Зачем тогда нужны были миллионы видов, которые с человеком никак не пересекаются и не влияют на него? Неужели для ублажения туристов и биологов? Можно выдвинуть более осторожную версию: целью планируемой эволюции было создание разумных существ разных видов: млекопитающие (люди и дельфины) насекомые (пчелы и муравьи), каких-нибудь глубоководных моллюсков, и.т.п. Но все равно непонятно: зачем нужен миллион видов насекомых, если целью являются всего 2 вида? К чему эта безумная расточительность с уничтожением целых отрядов животных?

Таким образом, если план эволюции и имел место, цель этого плана нужно еще понять. А для понимания цели системы бывает более полезно изучить ее структуру, чем витать в телеологических облаках.

К этой теории можно предъявить те же вопросы, что и к предыдущей. На самом деле, она вполне разумна: Циолковский доказывал, что с огромной долей вероятности Земля окружена планетами с более высокоразвитыми цивилизациями, которые, конечно же, знают о нашем существовании и, следовательно, «опекают» нас. Судя по строению Солнечной системы, в ней таких цивилизаций нет. Но разумные существа, насчитывающие миллионы лет истории, конечно же, могут освоить межзвездные полеты.
Однако, с точки зрения ДОТУ, эта теория ничем не отличается от предыдущей. Для нас что Бог, что инопланетяне – иерархически высшее управление. Конечно, разница в том, что Бог, по определению, добр, а инопланетяне могут преследовать и злобные цели. Но мы, в любом случае, не можем понять этих целей, не исследовав внутреннюю структуру биосферы Земли и происходящих в ней процессов эволюции.
Теории «целенаправленной эволюции» отличаются от теорий внешнего глобального «разумного плана», тем, что целенаправленность предполагается внутренней и локальной. Каждое животное и растение совершенствует себя, не зная об остальных животных и растениях в других концах Земли. Это намного разумней и эффективней глобального плана – так же, как местное самоуправление эффективней тоталитарного общества, в котором диктатор интересуется жизнью каждого человека. Ведь в глобальный план может закрасться ошибка, да и неспособен такой план учесть всё разнообразие условий на Земле. Лучше разделить центральное управление географической оболочкой на множество систем управления биоценозами, а в каждом биоценозе распределить обязанности между живыми существами, заложив в каждое существо программу развития. При этом отпадает вопрос: «зачем нужно так много времени?». Время нужно, чтобы научить биоценозы и отдельные живые организмы самоуправлению.

Дарвинисты предъявляют теории целенаправленной эволюции такую основную претензию: «а где же этот механизм самосовершенствования в каждом живом существе? Покажите нам его!». На самом деле, такой механизм есть, хотя многие его в упор не замечают. Это механизм размножения, требующий от каждого живого существа продолжить себя, размножившись в как можно большем количестве. Количественное увеличение – это самый простой и примитивный способ развития системы. По закону перехода количества в качество, это увеличение рано или поздно сопровождается качественным развитием (или гибелью системы, если она неспособна на таковое). Дарвинисты не признают механизм размножения за внутренний механизм развития, потому что они вульгарно сводят биологическую эволюцию к эволюции генотипов, а в эволюции генотипов разделяют размножение («штамповку») и мутацию. Механизм направленных мутаций до сих пор не найден, а механизм направленного размножения вроде как отвечает за «наследственность», а не за «изменчивость».

На самом деле, наследственность, как минимум, определяет степень изменчивости. Чем больше потомков у вида, тем шире они распространяются, тем сильнее меняют природные условия, тем больше среди них мутаций. Пример – размножение колоний одноклеточных организмов когда-то положило начало многоклеточным. Кроме того, есть свидетельства, что организмы могут регулировать свою степень изменчивости: попадание в стрессовое состояние увеличивает количество мутаций (что разумно — мы уже выяснили, что в экстремальной ситуации биоценозы выживают за счёт разнообразия). Но одного механизма размножения и регулирования степени изменчивости явно недостаточно, чтобы признать ламаркову эволюцию на уровне видов. Нельзя же считать, что завод стремится к совершенству, говоря: «наштампуем как можно больше деталей - вдруг среди них окажутся хорошие!». Тем более, нельзя считать, что сами «детали» (живые организмы) таким образом стремятся к совершенству.

Таким образом, признаки ламарковой эволюции на уровне видов не найдены. А про механизмы эволюции биоценозов («заводов») мы просто ничего не знаем! Есть наука экология, изучающая не отдельные виды, а биоценозы в целом. Но экология пока еще не смогла найти механизмы целенаправленной эволюции. Так что приходится признать, что про возможную ламаркову эволюцию на уровне биоценозов мы ничего не знаем. Тем более мы ничего не знаем про ламаркову эволюцию географической оболочки – мы не можем сказать, существует ли, является ли осмысленно действующей гипотетическая Гея, живая планета Земля.

Итак, основной принцип дарвиновой эволюции таков: нет никаких механизмов развития организма, кроме механизма размножения. Некоторые биологи даже утверждают, что этот принцип доказывается биологической статистикой. Разумеется, биологи либо добросовестно, по незнанию математики, заблуждаются, либо сознательно подтасовывают факты. Статистика применима лишь в случае повторяемости условий эксперимента. В биологии внешние условия развития жизни постоянно меняются – ибо меняется географическая оболочка.

И в самом деле, никакие статистические ухищрения не позволяют объяснить, например, великие вымирания видов. Та же байка об «астероиде, уничтожившем динозавров» (ее часто рассказывают даже в серьезных научно-популярных передачах) у многих палеонтологов отнюдь не вызывает восторга. Ведь "ядерная зима" после падения пресловутого астероида продолжалась всего несколько лет, а динозавры спокойно существовали еще порядка 200 тысяч лет. И, лишь когда похолодание давно сошло на нет, динозавры вдруг – хлоп! – и вымерли. Конечно, это можно объяснить постфактум, например, тем, что кратковременное сокращение численности динозавров (холод убивал их детенышей - маленькие холоднокровные животные очень чувствительны к изменениям климата) послужило спусковым крючком для начала великой экспансии млекопитающих. Или тем, что перераспределение численности растений разных видов ухудшило кормовую базу травоядных �

Содержание.

0 (вместо предисловия).Наш дом - Солнечная система.