XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Земля с кольцами – фантазия или реальность?
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Людей всегда интересовало, что находится за пределами нашей планеты и каким образом могут сказаться изменения космического масштаба на жизнь нашей планеты Земля.
Наша Солнечная система удивительна. Она образовалась 4,6 миллиарда лет назад и состоит из планет, вращающихся вокруг Солнца. Кроме планет ее наполняют спутники, астероиды, кометы, карликовые планеты, пыль, газ и многие другие интересные объекты.
Наша Солнечная система настолько разнообразна и каждая планета неповторима и уникальна, поэтому при изучении планет Солнечной системы, возник вопрос, почему у Сатурна такие большие красивые широкие кольца, в то время как у остальных планет они почти незаметные, либо их вообще нет? Так и появилась тема данной научно-исследовательской работы «Земля с кольцами – фантазия или реальность?».
1. Солнечная система
В состав Солнечной системы входит 8 планет (рисунок 1), более 180 спутников планет и миллионы относительно мелких объектов, обращающихся вокруг центральной звезды – Солнца [9]. Внутри Солнца сосредоточено свыше 99% всей массы Солнечной системы, и его гравитационное воздействие на другие тела очень велико. Солнце притягивает окружающие его планеты, так же как Земля притягивает к себе расположенные поблизости от нее тела, заставляя их падать. Однако планеты, «падая» на Солнце, остаются практически на одном и том же расстоянии от него, потому что движутся еще и в поперечном направлении по искривленным, близким к круговым, орбитам.
Рисунок 1 – Солнечная система
Итак, притяжение Солнца удерживает Солнечную систему от распада, заставляя все тела – от самых больших планет до мельчайших каменных обломков – двигаться по плоским упорядоченным орбитам. Самые крупные объекты в Солнечной системе после собственно Солнца – это планеты. Четыре из них – Меркурий, Венера, Земля, Марс – расположены во внутренней части Солнечной системы и называются планетами земной группы. У всех них твердая каменистая поверхность. За Марсом находится пояс с миллионами астероидов, а далее располагаются четыре газовые планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Это огромные тела с массами, в 15-300 раз превышающими земную, без твердой поверхности, окруженные множеством облачных слоев (рисунок 1).
Образование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад со сжатия газопылевого облака под действием собственного тяготения. Этот процесс продолжался сотни миллионов лет и сопровождался ускорением вращения облака, в результате газ и пыль оказались «размазанными» по плоскому диску. Постепенно огромное количество сжатого вещества оказалось сосредоточенным в центре диска и из него образовалось Солнце. В результате столкновения и слипания друг с другом остатков вещества газопылевого облака сформировались планеты и их спутники.
2. Планеты Солнечной системы, обладающие кольцевой системой
Некоторые планеты в Солнечной системе окружены кольцами. Это плоские концентрические образования, состоящие из космической пыли и льда, вращающиеся вокруг планеты.
Долгое время Сатурн считался единственной планетой, окруженной кольцами. Одним из первых, кто сделал предположение о наличии у Сатурна «придатка», был Галилей. Это было в 1610 году. А в 1655 году Христиан Гюйгенс, используя более мощный, чем у Галилея, телескоп, впервые описал этот «придаток» как кольцо, окружающее Сатурн [2].
Следующей планетой, вокруг которой были обнаружены кольца, был Уран, и произошло это открытие в 1977 году. Чуть позже, в 1979-м, тонкие кольца были зафиксированы вокруг Юпитера космическим аппаратом «Вояджер-1». А в 1989-м приборы космического аппарата «Вояджер-2» диагностировали наличие колец вокруг Нептуна [2].
Таким образом, на сегодняшний день кольцевой системой обладают следующие планеты Солнечной системы [6]:
Юпитер (1 кольцо);
Сатурн (7 колец);
Уран (13 колец).
Нептун (7 колец).
В 2007 году космический аппарат «Кассини-Гюйгенс» зафиксировал возможное наличие колец вокруг спутника Сатурна – Реи. Это первый случай вероятного обнаружения колец у спутника планеты. В январе 2017 года стало известно об обнаружении колец у Хаумеи – четвертой по величине карликовой планеты Солнечной системы. Хаумеа стала первым транснептуновым объектом с системой колец. Что касается планетарных объектов, имеющих отношение к земной группе, на их «территории» подобных образований нет. Кроме того, исследователи отмечают, что кольца есть также у нескольких астероидов. Так, самым необычным было открытие в 2014 году колец вокруг астероида Харикло – самого большого астероида в области между Главным поясом и поясом Койпера. Имея диаметр всего 250 километров, он окружен двумя узкими и плотными кольцами шириной 7 км и 3 км, разделенными щелью в 9 км. Кольца расположены на расстоянии 391 и 405 км от центра планетоида. Существование системы колец вокруг малой планеты было неожиданным, поскольку считалось, что кольца могут быть стабильны только вокруг массивных тел. Остается неясным, как Харикло могла удержать кольца в течение длительного времени [2].
Наиболее популярной гипотезой происхождения колец вокруг планет является гипотеза столкновения планеты с другим космическим телом, в результате чего образовалось огромное количество мелких обломков, постепенно распределившихся по орбите. Известно, что плоскости обращения колец у всех космических объектов, где они обнаружены, совпадают с плоскостью экватора этих объектов.
Стоит отметить, что самые эффектные кольца, это кольца Сатурна, которые представляют систему, состоящую из концентрических образований плоского типа. В их составе преимущественно – лед с примесями пыли и обломков [2, 3]. Главных колец семь, и они названы по первым буквам латинского алфавита: А, В, C, D, E, F u G. Кольца содержат мало материи: если бы они стали единым плотным кольцом, то его диаметр составлял бы всего 100 км [1]. Находятся они в экваториальной плоскости планеты. Иногда кольца Сатурна полностью открыты, и мы можем очень четко их увидеть в телескоп. Однако в другое время кольца исчезают из нашего поля зрения, так как мы видим их ребром.
3. Планета Земля
Земля – планета, на которой мы живем, стала объектом пристального интереса с тех самых пор, когда люди научились думать и рассуждать. На чем Земля держится? Как она устроена? Сегодня изучением Земли занимается сразу несколько научных дисциплин: геология, геохимия, геофизика, геодезия, геоморфология и другие дисциплины, в названиях которых присутствует греческий корень «гео» – земля. Вместе с науками о Земле изучением планеты Земля, как одного из членов Солнечной системы, в сравнении с другими планетными телами, занимается астрономия [3].
Земля – единственная планета в Солнечной системе и, возможно, во Вселенной, где есть жизнь [6]. Сложно представить, сколько факторов совпало для того, чтобы Земля превратилась в уникальную систему, в которой возникли атмосфера и температура, пригодные для жизни!
Луна – единственный спутник Земли. Астрономы долго искали у Земли другие естественные спутники, хотя бы даже крохотные. Но других естественных спутников в окрестностях Земли нет. Гравитация Луны воздействует на воды морей и океанов Земли и управляет приливами.
4. Кольца Земли
4.1 Кольца Земли природного происхождения
В период молодости Земля могла иметь вокруг себя кольцо, в составе которого преобладали каменные обломки. В соответствии с распространенной теорией, 4,5 миллиарда лет тому назад наша планета столкнулась с другим космическим объектом, и некоторые ученые предполагают, что в результате удара вокруг Земли образовалось кольцо из обломков, частицы которого в конечном итоге сгруппировались и образовали внушительный по размерам объект, который сегодня называется Луной.
Гипотезы о том, что у Земли в действительности могли быть кольца, выдвигались множеством авторов – Джоном Окифом, Марком Бослоу, Питером Фосеттом [5]. Все они являются подтверждением кардинальных климатических перемен, которые происходили на планете в давние времена.
Так, например, в 1980 году в журнале «Nature» была опубликована статья американско-британского нейрофизиолога Джона Окифа, в которой было сделано предположение, что 34 млн лет назад наша планета была «снабжена» кольцевой системой, как у Сатурна. В своей работе Джон Окиф связал уменьшение зимних температур в позднем эоцене (вторая геологическая эпоха времен палеогенового периода, которая длилась 22 млн лет с 56 млн лет до 33,9 млн лет) с выпадением тектитов, которые представляли собой оплавленное стекло метеоритного и кометного происхождения [4]. Исходя из этого Джон Окиф предположил, что 34 млн лет назад гравитацией Земли могло быть захвачено множество метеоритов и комет, бороздящих просторы космоса. В результате этого могло образоваться кольцо у Земли, которое было бы видно невооруженным глазом. В своей работе Джон Окиф связал массовое вымирание многих видов млекопитающих с глобальным похолоданием, как раз из-за возможного наличия колец у Земли.
Однако, на сегодняшний день, можно утверждать, что у Земли все-таки есть кольца.
В 1988 году в журнале «Наука и жизнь» было опубликовано, что Земля обладает кольцевыми элементами, которые состоят из небольших пылинок на дистанции 400-235000 км от поверхности [5]. Таким образом, можно констатировать, что у Земли имеются пылевые кольца. Такой вывод был сделан учеными из СССР, которые обработали данные, полученные с бортовых датчиков космических аппаратов «Электрон-1», «Электрон-3» и «ГЕОС-2»
Итак, как уже было отмечено выше, пылевые кольца Земли находятся в 400 км от поверхности Земли и простираются до 235 000 км. И чем дальше, тем менее плотнее это кольцо. Но это кольцо невозможно увидеть с Земли. Направления и углы наклона относительно экваториальной плоскости разные. Плотность кольца настолько мала, что по данным американского планетарного радара из обсерватории «Голдстоун» выяснилось, что оно равно 6 пролетающим частицам в день. А размер этих пылинок начинается от 1,8 мм [4]. Также ученые предположили, что аналогичные элементы присутствуют и у Луны [5].
4.2. Искусственные кольца Земли
Одним из проектов по созданию искусственных колец можно считать проект «Вест Форд» («West Ford»). Этот проект был организован в начале 60-ых годов XX в. Вооруженными силами США. Цель состояла в том, чтобы вывести на орбиту Земли 480 млн крошечных медных дипольных антенн (рисунок 2) для обеспечения более надежной системы военной связи. По размерам они были равны 1,78 см, а в толщину – 5,4 мкм при запуске в 1961 г. и 17,8 мкм при запуске в 1963 г.
Рисунок 2 – Медные дипольные антенны
Первая попытка в 1961 г. закончилась неудачей – кольца из проволочек не получилось. В мае 1963 года военные запустили еще одну ракету с грузом проволочек. На этот раз попытка оказалась успешной, проволочки образовали огромное облако, которое, в конце концов, сформировало вокруг Земли гигантское кольцо толщиной 30 км [10].
Эффект от таких маленьких дипольных антенн оказался феноменальным, так как скорость передачи данных благодаря им увеличилась и была на уровне 90-х гг. XX в. Но дипольные антенны на орбите продержались недолго, потому что такие маленькие по размеру антенны просто вытеснялись давлением солнечного ветра и под действием гравитации Земли падали на ее поверхность. Проект был закрыт в 1963 г. из-за протестов со стороны научного сообщества и разработки спутников связи нового типа. Согласно расчетам, медным проволочкам понадобилось еще около 10 лет, чтобы вернуться на Землю.
Однако, некоторая часть медных проволочек так и осталась летать на орбите, поэтому кольцо из дипольных антенн по-прежнему существует и располагается оно на высоте 3500-3800 км, чем загрязняет космическое пространство.
Еще один интересный проект по формированию колец искусственного типа был разработан Николой Тесла [5]. Он предложил создать вокруг экваториальной области постройку в виде кольца твердого типа с применением системы подпорок. После завершения работ их нужно было бы убрать и «подвесить» кольцо в пространстве, чтобы оно перемещалось на той же скорости, что и наша планета.
Ученый высказал версию о том, что, если бы удалось затормозить вращение кольца Земли, оно могло бы применяться для отправления в путешествия и перемещения на внушительной скорости. Благо появилось большее количество технологий, которые позволят сделать это без особых проблем.
4.3. Кольца Земли из лунных обломков
Луна – это естественный спутник Земли (рисунок 3). Гравитация Луны оказывает влияние на земные процессы, она воздействует на воды морей и океанов из-за чего возникают приливы и отливы, но, если быть точнее, не из-за гравитационного поля Луны, а именно из-за его неоднородности (рисунок 4).
В случае, если Луна будет потихоньку приближаться к Земле, то приливы на нашей планете будут становится все сильнее и сильнее, но и Луна будет все больше вытягиваться в нашу сторону. На расстоянии в 1300-1400 км от поверхности Земли, приливные силы, действующие на Луну, окажутся настолько большими, что разорвут ее на кусочки (рисунок 5).
Рисунок 3 – Луна с борта Международной космической станции
Рисунок 4 – Гравитационное влияние Луны на Землю
Рисунок 5 – Луна при приближении к Земле
При этом осколки нашего спутника будут удаляться друг от друга, равномерно распределяться по орбите и образуя достаточно плотное кольцо, почти как у Сатурна (рисунок 6). Отметку, за которой спутник разрушается таким образом, называют – предел Роша. За ней, разрывающие приливные силы оказываются больше, чем силы самогравитации сохраняющие форму спутников. Именно внутри предела Роша и будут образовываться кольца, ведь материал, находящийся там не может гравитационно собраться в единое тело.
Рисунок 6 – Вид Земли с кольцами из лунных обломков
Учитывая нынешний лунный материал, можно сделать вывод, что в ширину такие кольца охватывали бы порядка 5 000 км, а толщина их составляла бы 9,5 м. Но, если у Сатурна в системе – ледяные элементы, у Земли они были бы каменными. Земля расположена гораздо ближе к Солнцу, чем Сатурн, поэтому излучение нашей звезды приведет к уничтожению любого льда в кольцах. Тем не менее, даже если наши кольца имели бы каменную природу, они все равно бы ярко светили на небосводе (рисунок 7).
Наиболее оптимальное место для колец – вокруг экватора Земли, поэтому их внешний вид будет зависеть от широты, на которой находится смотрящий. Например, около экватора в Кито, Эквадор, мы сможем рассмотреть кольца с внутреннего радиуса, на этой широте они будут выглядеть как тонкая линия, поднимающаяся прямо от горизонта. Для сравнения, около полярного круга кольца могут выглядеть как горб на горизонте. В более умеренных широтах кольца похожи на гигантские арки, вроде радуги (рисунок 8). Эти яркие кольца будут всегда находится в одном и том же месте на небе. Их будет видно днем и ночью [11].
Рисунок 7 – Вид с Земли на кольца из лунных обломков
Рисунок 8 – Вид колец с Земли
Появление таких колец приведет к значительному нарушению систем навигации многих живых организмов. А при отсутствии возможности пропускания достаточного количества солнечного света есть риск нарушения фотосинтеза. В зависимости от времени суток, сезона и широты, на которой находится смотрящий, Земля может отбрасывать тень на кольца точно так же, как и сами кольца могут отбрасывать тень на Землю. Летом в Северном и зимой в Южном полушариях кольца будут отбрасывать свои тени. И это не самая приятная перспектива, так как из-за этого зимы в обоих полушариях могут стать холоднее и суровее, чем сейчас. Также кольца будут рассеивать радиосигналы со спутников и космических кораблей на экваториальных орбитах. И это только малая часть того, на что может повлиять наличие колец у Земли.
Стоит отметить, что, несмотря на завораживающий вид с Земли на лунные кольца, подобные космические изменения могут привести к угрозе существования самой жизни на нашей планете.
Однако, такой сценарий маловероятен, так как ученые утверждают, что Луна постоянно отдаляется от нашей планеты на 4 см в год. Поэтому кольца, как у Сатурна, у Земли не появятся.
Заключение
В состав Солнечной системы входит 8 планет, одна из которых является нашим домом – планета Земля. Однако, существуют еще планеты, которые завораживают своим видом из-за наличия у них кольцевых систем, поэтому данное исследование было проведено с целью выявления возможности появления подобных колец у самой значимой для нас планеты.
Оказывается, что Земля все-таки обладает кольцевыми элементами, которые состоят из небольших пылинок на дистанции 400-235000 км от поверхности. Но это явление невозможно увидеть с Земли. Не кольца Сатурна, но все же, кольца естественного происхождения у Земли все-таки есть.
Существует еще искусственное кольцо из мелких медных проволочек размером 1,78 см, которые были выведены на орбиту Земли в 1963 г. в количестве 480 млн единиц для обеспечения более надежной системы связи. Однако со временем большое количество проволочек-антенн вернулось на Землю, но некоторая часть этих проволочек так и осталась летать на орбите, на высоте 3500-3800 км, чем загрязняет космическое пространство.
Кроме того, в работе рассматривается гипотеза, что в период молодости Земля имела вокруг себя кольцо, в составе которого преобладали каменные обломки, в результате столкновения с другим космическим объектом, что и спровоцировало выброс внушительного по размерам объекта, который сегодня является Луной.
В работе также рассматривается вариант появления лунных колец, которые могут появиться в результате приближения Луны к Земле. С одной стороны, наблюдать кольца, полученные в результате разрушения Луны очень завораживающее явление, но, с другой стороны, если они все-таки окружали бы нашу планету, большая часть жизни на ней не перенесла бы подобных изменений. При этом разрушение естественного спутника нашей планеты повлекло бы за собой огромную волну перемен. Однако, такой сценарий маловероятен, так как ученые утверждают, что Луна постоянно отдаляется от нашей планеты и кольца, как у Сатурна, у Земли не появятся.
Конечно, в наши дни представить себе Землю в кольцах – фантастика, но, возможно, когда-то это было правдой, а может быть, это явление мы еще увидим.
Список использованных источников и литературы
1. Вайнберг А. Детская энциклопедия астрономии / Александр Вайнберг; перевод с французского Т.И. Алиевой. – Москва: «РОСМЭН», 2008. – 127 с.
2. Геология космоса: Кольца планет. Московский планетарий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.planetarium-moscow.ru/about/news/geologiya-kosmosa-koltsa-planet/ (20 февраля 2024).
3. Гурштейн А.А. На рубежах познания Вселенной. Атлас / А.А. Гурштейн. – Москва: Изд-во ПКО «Картография», 1992.– 524 с.
4. Есть ли у Земли кольца? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://pikabu.ru/story/est_li_u_zemli_koltsa_8018370 (20 февраля 2024).
5. Кольцо вокруг Земли. Космос планет [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://cosmosplanet.ru/solnechnayasistema/zemlya/koltso-vokrug-zemli.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2Fq%2Fquestion%2Fchto_budet_esli_u_zemli_poiaviatsia_ba39cf9c%2F (20 февраля 2024).
6. Космос: 4D Энциклопедия в дополнительной реальности / сост. и пер. с англ. Криститна Антонова; отв. ред. Юлия Петрова, Наталья Банникова, Анастасия Троян; корр. Кристина Олейник. – Тула: Дэвар Медиа, 2019. – 52 с.
7. Кошевар Д.В. Вселенная и космос. Серия «Энциклопедия с дополнительной реальностью» / Д.В. Кошевар, В.В. Ликсо, А.И. Третьякова. – Москва: Издательство АСТ, 2018. – 159 с.
8. Порцевский К.А. Моя первая книга о космосе: Науч.-поп. изд. для детей / Ил. А.И. Безменова, А.Г. Даниловой, Н.В. Данильченко и др.; Оформл. серии Л.Д. Андреева. – М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2012. – 96 с.
9. Принджа Р. Планетариум. Справочное издание. Перевод на русский язык. ООО «Издательская Группа «Азбука Аттикус»-Machaon, 2022. – 104 с.
10. Проект «Вест Форд» – искусственное кольцо вокруг Земли [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://lllolll.ru/copper-belt/ (20 февраля 2024).
11. Что, если бы Земля имела кольца как у Сатурна [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://www.techinsider.ru/science/623073-chto-esli-by-zemlya-imela-kolca-kak-u-saturna/ (20 февраля 2024).