Периоды обращения планет вокруг своей оси
Ближайшие к Солнцу планеты (Меркурий, Венера), по-видимому, сильно приторможены приливными силами Солнца и совершают оборот вокруг оси за десятки или сотни земных суток.
Значительно быстрее вращаются Земля и Марс (24 и 24,5 часа). Земля в протерозое вращалась ещё быстрее (18 часов), но на 6 часов приторможена Луной.
Планеты-гиганты характеризуются особенно короткими сутками - от 10 до 16 часов, причём быстрее всего вращаются самые массивные из них.
Плутон делает оборот за 6 суток. Это соответствует времени обращения вокруг него Харона. Плутон всегда повёрнут к Харону одной стороной, так как остановлен его приливными силами (это самая двойная планета Солнечной системы).
Значит, имеются одновременно несколько тенденций:
чем дальше от Солнца планета, тем она быстрее вращается вокруг своей оси;
чем массивнее планета, тем она быстрее вращается (спутникам труднее её приостановить своими приливными силами?);
чем ближе и массивнее спутники планеты, тем она медленнее вращается.
Химические различия в составе планет, магнитные поля и внутреннее строение планет
Различия между планетами земной группы и планетами-гигантами возникли уже в самом начале развития планетной системы, когда в результате сгущения газово-пылевого облака заканчивался процесс образования Солнца [Садил, Пешек, 1967]. Температура Солнца в это время повысилась до миллиона градусов (сейчас - 14 млн.), и в его ядре пошли термоядерные реакции. Помимо инфракрасных лучей, Солнце стало излучать видимый свет, под действием которого в пока ещё едином протопланетном облаке произошли огромные изменения.
Это протопланетное облако на всём протяжении, кроме мелких пылевидных частиц, содержало также свободные атомы и молекулы. Особенно много было водорода, значительно меньше гелия, а тяжёлые элементы присутствовали в ничтожных количествах. Давление солнечных лучей вытеснило водород и гелий из ближайших окрестностей Солнца, как это сейчас происходит с частицами кометных хвостов. В результате этого протопланетное облако вблизи Солнца потеряло основную массу и в процентном отношении обогатилось более тяжёлыми элементами (Fe, Si, O и другие). Здесь возникли планеты земной группы - не очень массивные, зато плотные [Садил, Пешек, 1967].
Вдали от Солнца солнечные лучи поглощались первичной туманностью и не влияли на атомы и молекулы лёгких элементов. Поэтому планеты-гиганты оказались такими массивными и содержащими преимущественно водород и гелий [Садил, Пешек, 1967]. Кроме того, эти массивные планеты смогли удержать водород и гелий в условиях относительно низких температур. Если к Земле, например, добавить эти элементы до уравнения их концентрации с солнечной, то Земля окажется массой с Юпитер [Блэк, 1991].
На ещё больших расстояниях от Солнца в результате гравитационного "слипания" мелких частиц возникло кометное облако. В условиях крайне низких температур здесь могли существовать свободные радикалы вроде CH, CN, CO, OH и т.п. В кометных ядрах мелкие твёрдые пылинки соединены в одно целое замёрзшими газами, которые начинают испаряться, если комета приближается к Солнцу.
В планетах земной группы вскоре после их образования началось нагревание за счёт радиоактивного распада некоторых тяжёлых элементов (в основном, урана, тория и радиоактивного калия) и за счёт тепла, выделяющегося при соединении свободных радикалов. Недра планет расплавились, и тяжёлые элементы (прежде всего - железо) опускались вглубь, формируя железные ядра, а оксиды кремния и другие относительно лёгкие вещества всплывали на поверхность, формируя мантию, верхний переостывший слой которой образовал тонкую кору. Аналогичные процессы шли и в недрах планет-гигантов, но их изначальный состав был другим.
Особенно плотным (для сравнительно малой массы) оказался Меркурий. У него самый большой относительный размер железного ядра и за счёт этого имеется слабое магнитное поле, хотя планета вращается медленно. У Венеры и Земли относительные размеры железных ядер меньше, ещё меньше - у Марса, причём, если у Земли и Венеры имеется слой жидкого железа на поверхности ядра, то у Марса такого жидкого слоя нет. Поэтому у Земли есть магнитное поле, а у Марса - нет. У Венеры тоже нет магнитного поля, но по другой причине - она уж очень медленно вращается вокруг оси.
Особенно малы относительные размеры ядер у планет-гигантов, причём это, вероятнее всего, не железные, а каменистые ядра. У Юпитера и Сатурна эти ядра окружены слоем металлического водорода (за счёт чего в сочетании с быстрым вращением имеются мощные магнитные поля). Уран и Нептун несколько менее массивны, и такого слоя у них нет. Магнитное поле Урана имеет иную природу: связано с раствором аммиака в воде (есть носители заряда - ионы аммония и гидроксила).
Источники энергии в солнечной системе
Солнце - основной источник энергии на поверхности тел Солнечной системы.
Энергия планетных недр - для температурного баланса на поверхности тел имеет весьма ограниченное и, как правило, локальное значение (вблизи вулканов в моменты извержений), но приводит в движение механизм тектоники плит и потому преобразует облик Земли; имеет также значение для Юпитера, Сатурна, Нептуна, Венеры и, возможно, для некоторых других крупных небесных тел.
Энергия вращения планет в сочетании с солнечной энергией приводит в движение атмосферу, создаёт магнитное поле и, возможно, корректирует тектонику плит; особенно большое значение имеет для планет-гигантов.
Энергия приливов - имеет существенное значение для крупных и близких спутников Юпитера, вызывая вулканизм (Ио) или менее значительный разогрев недр (Европа). Энергия приливов обусловлена вращением небесных тел или их орбитальным движением, а потому не самостоятельна.
Энергия столкновений небесных тел (энергия их орбитального движения) - основная энергия, меняющая облик поверхности большинства мелких и среднеразмерных тел Солнечной системы (Меркурий, Марс, Плутон, Луна и многие другие спутники планет, а также астероиды и кометные ядра).
Климат на планетах и непрерывно обитаемая зона
Не только расстояние от планеты до Солнца, но и особенности обмена углекислым газом между атмосферой и сушей объясняют, почему Венера лишилась воды и раскалилась, Марс замёрз, а Земля осталась пригодной для жизни [Кастинг и др., 1988].
Для земной атмосферы характерен буферный эффект, регулирующий её температуру. Обратная связь обеспечивается карбонатно-силикатным геохимическим циклом (см. главу о Земле), отвечающим за 80% обмена углекислым газом. 20% обмена обеспечены растениями (фотосинтез забирает углекислый газ, а при дыхании и гниении он выделяется). Если бы не живые организмы, усваивающие известь в океане, известь бы осаждалась на дне сама, но при чуть большей концентрации углекислого газа в атмосфере и извести в океане. Температура атмосферы была бы на 10% выше, но катастрофы бы не было. Итак, не жизнь главное, а силикатно-карбонатный цикл!
На Марсе круговорот углекислоты был нарушен, и вся известь оказалась в горных породах. Марс замёрз в первую очередь не из-за удалённости от Солнца, а из-за своего маленького размера. Именно из-за этого не было тектоники плит, и углекислый газ не выделялся в атмосферу. Значит, не было и парникового эффекта. Марс теоретически может оживать лишь на какое-то время после ударов гигантских метеоритов или извержений вулканов (когда в атмосферу поступает сразу много углекислого газа). Если бы Марс был массивней, то был бы обитаем. Он мог быть обитаем и в далёком прошлом, когда ещё не остыл. В далёком будущем он тоже на какое-то время сможет "ожить" из-за увеличения светимости Солнца.
На Венере из-за близости к Солнцу (из-за фотодиссоциации воды) улетучился водород, не стало воды, углекислый газ перестал с дождями вымываться и весь скопился в атмосфере. Без углекислого газа Венера была бы холоднее Земли. Не исключено, что на ранних этапах своего развития (до полной фотодиссоциации воды) Венера была пригодной для жизни.
Непрерывно обитаемая зона в Солнечной системе расположена от 0,95 до 1,5 а.е.; в ней - Земля и Марс [Кастинг и др., 1988].
Обитаемы могут оказаться и некоторые спутники планет (например, Европа, где под слоем льда в океане могут обитать хемосинтетики) - за счёт разогрева недр приливными силами.
Светимость Солнца возрастает на 1% каждые 100 миллионов лет, и через 1 миллиард лет с Земли начнёт исчезать вода. Разогрев планеты будет отсрочен карбонатно-силикатным циклом, но лишь на какое-то время.
Как уже говорилось, недавно делались заявления об "открытии" следов живых организмов в метеоритах и широком распространении жизни на планетах Солнечной системы в прошлом [Жмур и др., 1997]. Таким образом, существуют две принципиально различные крайние точки зрения на жизнь во Вселенной.
Во-первых, иногда считается, что жизнь - очень редкое явление, для её возникновения и поддержания требуется уникальная комбинация условий: жидкая вода, изначальный концентрированный раствор органических веществ абиогенного происхождения, умеренный приток солнечной и т.п. энергии, атмосфера с озоном, умеренным количеством углекислого газа и т.п., тектоника плит, силикатно-карбонатный цикл, длительное существование стабильных условий и т.п. Согласно этой точки зрения, жизнь не может переноситься с планеты на планету (иначе как на космических кораблях, то есть при наличии разума). Земля - это уникальная планета и в Солнечной системе, и в ближайшем звёздном окружении Солнца, и, возможно, в Нашей Галактике, а то и во Вселенной...
Сторонники противоположной точки зрения готовы видеть жизнь везде: на Венере в прошлом, на Марсе (на поверхности в полосе таяния полярных шапок, в глубине грунта в других местах, а также везде на поверхности в прошлом), подо льдом на Европе - спутнике Юпитера. Есть представления, что воду при низких температурах может заменить другой растворитель (жидкий аммиак, сера и т.п.), а вместо углеродных цепочек могут быть кремниевые или какого-то иного состава химические цепи. Жизнь на иной химической базе может развиваться и в концентрированных газах. Тогда населены могут быть атмосферы планет-гигантов и некоторые их спутники, а также исходное газово-пылевое облако вокруг Солнца... Споры, семена и т.п. образования могут якобы переноситься с планеты на планету и в результате давления света, и в метеоритах, вышибленных с планет во время столкновений со значительными небесными телами.
Пока полёты автоматических аппаратов на Венеру и Марс не порадовали сторонников второй точки зрения. Марс, однако, в этом отношении не исчерпан, и большие надежды возлагаются на полёт человека в первом-втором десятилетии XXI века. Важен также сам факт существования в течение нескольких дней разумной жизни на Луне. Значит, благодаря разуму, жизнь может переноситься с одного небесного тела на другое. Кстати, американские космонавты, осматривая обшивку ранее запущенного на Луну автомата, обнаружили занесённую с земли колонию бактерий. Бактерии питались этой обшивкой и уцелели под жёсткими космическими лучами солнечного и галактического происхождения.