Четыре внешние планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — гораздо больше и массивнее внутренних планет. Находясь далеко от Солнца и обладая большой скоростью убегания у поверхности, эти планеты имеют протяженные атмосферы, состоящие из водорода, гелия, метана и других относительно легких газов. Юпитер и Сатурн считаются газовыми гигантами, а Уран и Нептун можно назвать ледяными гигантами.
Все внешние планеты окружены кольцами и большим количеством спутников. Некоторые из спутников чрезвычайно интересны как возможные прибежища жизни. Ряд спутников планет-гигантов, таких как Юпитер, могут двигаться настолько близко к планете, что их недра разогреваются под приливным влиянием планеты (табл. 31.1).
Таблица 31,1. Физические свойства планет.
Солнечные сутки — среднее время от одного восхода Солнца до следующего (отметим длинные солнечные сутки на Меркурии и Венере, например, на Меркурии от восхода Солнца до заката проходит 88 земных суток!).
Марс всегда будоражил воображение людей. Когда в своем орбитальном движении Земля и Марс сближаются, Марс в этот момент находится в противостоянии с Солнцем и выглядит на ночном небе красноватым и весьма ярким. Даже в маленький телескоп «в противостоянии» он кажется довольно большим, и на его поверхности можно рассмотреть кое-какие детали. Марс обращается вокруг Солнца на расстоянии около 1,5 а. е. и совершает полный оборот примерно за два года. Его экватор наклонен к плоскости орбиты на 25°, и это означает, что на Марсе, как и на Земле, существует смена сезонов. Марс делает один оборот вокруг своей оси примерно за 25 часов, и это тоже напоминает нам Землю.
Обычно в противостоянии расстояние между Марсом и Землей около 60 млн км. На таком расстоянии одна секунда дуги соответствует 300 км. В хороших условиях это приблизительно соответствует пределу разрешения при наблюдениях с помощью наземных телескопов. В большинстве случаев разрешение хуже и детали поверхности размыты. При таком разрешении хорошо заметны полярные шапки Марса, увеличивающиеся зимой и уменьшающиеся летом. В период марсианской весны на краях тающих полярных шапок возникает темная кайма, постепенно расширяющаяся в сторону экватора. Некоторые наблюдатели предполагали, что так могла бы проявлять себя жизнь растений, просыпающихся после холодной зимы: при продвижении потоков воды к экватору большие области якобы покрывались растениями.
Если воздух над местом наблюдения необычно спокоен, то на очень короткое время могут возникнуть условия, когда разрешение резко улучшается. Рефрактор с объективом диаметром 22 см может дать угловое разрешение 0,63 секунды дуги, или 200 км на поверхности Марса (примерно 1/34 его размера). Такого разрешения иногда достигал директор Миланской обсерватории Джованни Скиапарелли (1835–1910). В эти моменты Скиапарелли запоминал детали поверхности Марса и быстро зарисовывал их. Наряду с большими образованиями, такими как полярные шапки, он увидел четкие узкие линии, которые назвал «каналами»; по-итальянски canale означает всего лишь узкую полоску между двумя точками. Ошибка возникла при переводе на английский, где слово «канал» (channel) означает искусственное сооружение. На Земле такое сооружение могло быть построено людьми, а на Марсе — марсианской цивилизацией!
Персиваль Ловелл (1855–1916), бизнесмен, дипломат и писатель, пишущий о восточной культуре, увлекся астрономией. Он совершенно серьезно заинтересовался марсианскими каналами и даже построил собственную обсерваторию во Флагстаффе (шт. Аризона) специально для исследования Марса и других планет. Ловелл составил карту темных и светлых областей Марса и даже сети каналов на его поверхности. Он предположил, что это ирригационная система, построенная марсианами для распределения воды из полярных областей в другие части сухой планеты. Сравнив разные места, он даже определил положение столицы. Воистину, миролюбивая цивилизация способна координировать усилия на грандиозных проектах!
Что тут скажешь… Иногда энтузиазм, упорно действующий в одном направлении, неожиданно приводит к результатам в других областях. Как мы уже знаем, такие важные явления, как вращение галактик и красное смещение, были обнаружены именно в обсерватории Ловелла; там же была открыта и (карликовая) планета Плутон.
Менее «романтические» астрономы отвергли гипотезу о каналах на основании тщательных наблюдений и теоретических вычислений. В 1909 году греческий асгроном Эжен Антониади наблюдал Марс в исключительно благоприятных условиях с помощью 83-см телескопа Парижской обсерватории. К своему удивлению, он увидел множество мелких деталей, но не заметил каких-либо следов каналов. Что же касается теории, то Альфред Уоллес (один из создателей теории эволюции, см. главу 28) предпринял вычисления температуры Марса. Он рассчитал интенсивность солнечного света на поверхности Марса, учитывая его расстояние от Солнца, принял во внимание вращение Марса и предположил, что поверхность планеты должна согреваться до такой степени, чтобы ее тепловое излучение оказалось в равновесии с падающей на нее энергией Солнца. Уоллес получил удручающий результат: в самое теплое время на Марсе холодно, как в Сибири, каналы должны были замерзнуть, так что марсианская цивилизация вряд ли могла бы создать ирригационную систему.
Теперь мы знаем, что на экваторе летом в дневное время температура поверхности Марса поднимается выше точки замерзания воды, вплоть до +15 °C, но вообще-то поверхность планеты весьма холодная. Вдобавок к тому, что из-за большего расстояния от Солнца на единицу поверхности Марса падает менее половины солнечного тепла по сравнению с Землей, суточные перепады температуры на нем очень велики, так как тонкая атмосфера Марса не задерживает тепло днем и не сохраняет его в результате парникового эффекта ночью. Даже сибирская температура покажется гораздо приятнее, когда представишь, что на Марсе зимней ночью столбик термометра опускается до -150 °C. Средняя температура поверхности Марса около -60 °C, но суточные колебания велики.
Несмотря на холод, Марс рассматривается как вероятное место, где когда-нибудь сможет поселиться человек. Но переселенцы, обнаружив схожесть марсианского светового цикла с земным, заметят и большие различия. Радиус Марса равен 3400 км, то есть чуть больше половины земного, а плотность Марса 3,9 г/см3 составляет 70 % плотности Земли. Два этих фактора вместе означают, что на Марсе вес переселенцев составит 39 % от их земного веса. Без защитной одежды вне марсианской базы они будут страдать от удушья, так как давление воздуха очень низкое, всего 0,1 % от земного. Кроме того, на 95 % он состоит из двуокиси углерода, непригодной для дыхания. Без скафандра землянин задохнется через пару минут. Незащищенный житель Марса получит и серьезные солнечные ожоги от сильных ультрафиолетовых лучей.
Марсианские каналы и гипотетическая планета Вулкан показывают, как воображение человека — само по себе очень важное для науки — может увести нас в ошибочное направление и как тщательные научные наблюдения могут исправить подобную ошибку. Урбен Леверье в 1859 году обнаружил, что движение Меркурия по эллиптической орбите отягощено аномалией, которую не удается объяснить гравитационным влиянием на него известных планет. Тогда он предположил, что виновником аномалии служит неизвестная планета, движущаяся внутри орбиты Меркурия. Это предположение подкрепил французский любитель астрономии Э. М. Лескарбо, который видел планетообразный объект, быстро двигавшийся на фоне солнечного диска. В следующие десятилетия подобные объекты несколько раз наблюдали перед Солнцем. Было предпринято несколько попыток обнаружить их во время солнечных затмений, но ничего такого не удалось заметить во время затмений 1901–1908 годов. Альберт Эйнштейн в 1915 году объяснил аномалию орбиты Меркурия с помощью теории относительности и тем самым закрыл вопрос о Вулкане.
Идею марсианских каналов подхватили писатели. В романе Герберта Уэллса «Война миров», опубликованном в 1898 году, марсиане атаковали землян. Через 40 лет радиопостановка романа вызвала панику у слушателей, воспринявших ее всерьез. В некоторых фантастических произведениях марсиане представлены мирными существами, например в книге Клайва Льюиса «За пределом безмолвной планеты». Фактически мысль о каналах теплилась до тех пор, пока первые космические зонды не передали нам четкое изображение Марса, не искаженное расстоянием и земной атмосферой.
Советские экспедиции к Марсу 1960–1962 годов начались с «Марса-1», но ни одна из них не достигла Красной планеты. Первый американский зонд «Маринер-3», запущенный в 1964 году, разделил их печальную участь. Представление о планете, покрытой растительностью и каналами, окончательно похоронили 22 черно-белые фотографии, переданные на Землю по радио «Маринером-4» 15 июля 1964 года. Первый большой блок изображений был получен в 1969 году при пролете мимо Марса зондов «Маринер-6 и -7»: на 198 снимках запечатлелось 20 % поверхности Марса. Пару лет спустя «Маринер-9», первый космический аппарат на орбите другой планеты, передал на Землю 7329 снимков, покрывших 80 % Красной планеты. Эти изображения, сыгравшие важную роль в подготовке следующих экспедиций, рассказали нам довольно печальную историю: Марс — это песчаная пустыня без признаков жизни. Он выглядит таким же сухим, как пустыни Сахара или Атакама. На этих снимках видны также сухие русла рек, метеоритные кратеры, потухшие вулканы и гигантские каньоны, такие как долины Маринера длиной в 4000 км.
До экспедиций «Викингов» состав атмосферы Марса оставался неизвестным. На пике популярности марсианских каналов, в 1909 году, в Ликской обсерватории Уильям Кэмпбелл провел спектральные наблюдения Марса и не обнаружил воду, что противоречило гипотезе о заполненных водой каналах: испарения с водной поверхности должны быть заметны в атмосфере. Вначале предполагали, что у Марса может быть довольно значительная атмосфера. В обсерватории Мак-Дональд (шт. Техас) Джерард Койпер (1905–1973) смог обнаружить двуокись углерода — первую составляющую марсианской атмосферы. Наличие относительно плотной атмосферы подтверждалось также разницей размеров между большим ультрафиолетовым изображением, показывающим твердую поверхность планеты вместе с атмосферой, и изображением меньшего размера в ближнем инфракрасном диапазоне, где была видна только твердая поверхность. В 1950-х годах наилучшим считался такой вывод Жерара де Вокулёра об атмосфере Марса: 98 % азота, 1 % аргона, 0,25 % двуокиси углерода и менее 0,1 % кислорода.