Что такое межпланетное пространство? Чем оно заполнено? Обычному читателю сразу представляется абсолютная темная пустота, в которой летают планеты, кометы, астероиды и другие тела Солнечной системы. На самом деле это не совсем так.
Если сформулировать чисто научное определение данного термина, то межпланетное пространство — это пространство между Солнцем и самой дальней от него планетой, то есть Нептуном. За его «нижнюю границу» обычно берут условную границу космического пространства, которая начинается на высоте 100 км над земной поверхностью. Оно не является полностью пустым, не является абсолютным вакуумом: это пространство заполнено большим количеством различных частиц, среди которых — нейтральные атомы водорода и гелия, плазма из водорода и гелия (основные компоненты так называемого солнечного ветра), разнообразное электромагнитное излучение, магнитные поля, нейтрино, разновидности частиц межпланетной пыли, камешки, метеороиды, космические лучи.
Но путь к такому представлению о межпланетном пространстве был довольно сложным. О том, что Вселенная не пуста, писал еще древнегреческий философ Парменид, который отрицал существование пустоты, и Аристотель. Затем тем же Аристотелем было сформулировано учение об эфире, который заполняет космическое пространство и через который беспрепятственно движутся небесные тела. Средневековая наука почти без изменений унаследовала идеи античности: в частности, Джордано Бруно и Николай Коперник, а также ряд других тогочасных астрономов были уверены, что Вселенная наполнена «мировым эфиром». Подобное представление существовало в науке почти до конца XIX века, и только убедительные результаты эксперимента Майкельсона-Морли полностью опровергли эту теорию, открыв путь современным взглядам.
Если же говорить о непосредственных исследованиях межпланетного среды человеком, то такая возможность появилась только во второй половине XX века. С запуском первого искусственного спутника началось активное изучение сначала околоземного, а затем и межпланетного пространства. Для таких исследований используются почти исключительно автоматические аппараты. Это и не удивительно, ведь межпланетное пространство является весьма неблагоприятной средой для жизни — человек в нем подвергается опасным воздействиям вакуума и радиоактивного излучения. Некоторые из этих аппаратов (Pioneer 10 и 11, Voyager 1 и 2) уже вышли за пределы Солнечной системы.
Главным «наполнителем» межпланетного пространства является солнечный ветер — поток плазмы от Солнца, который заполняет собой почти всю гелиосферу. К его составу входят электроны, протоны, захваченные магнитными полями ионы, образующиеся в результате взаимодействия с излучением. Солнечный ветер обладает высокой турбулентностью, и его действие проявляется достаточно неравномерно.
Межпланетное пространство серьезно влияет на тела, находящиеся в нем, и процессы, происходящие в нем. Оно имеет сложную структуру, обусловленную солнечной активностью. Во время хромосферных вспышек в космос летят потоки ионизированного газа, плазмы, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также радиоволн различной длины. С увеличением расстояния от Солнца сила солнечного ветра уменьшается, потоки протонов ослабевают, но их скорость остается постоянной. Их взаимодействие с планетами и малыми телами Солнечной системы влияет на их магнитные поля и состояние внешних плазменных оболочек. Характер такого воздействия напрямую зависит от свойств этих тел (в частности, от наличия у них магнитного поля), и оно также ослабевает с удалением от Солнца.
Магнитное поле Земли защищает нас от большинства вредных воздействий солнечного ветра. Результатом взаимодействия с ним становятся магнитные бури — возмущения земного магнитного поля. Ярким проявлением таких возмущений являются полярные сияния.
Свойства межпланетной среды достаточно специфичны. Она обладает характеристиками, присущими плазме, а не обычному газу. Благодаря этому сила магнитного поля Солнца на орбите Земли существенно больше расчетных показателей, то есть если бы межпланетное пространство было абсолютным вакуумом, этот показатель уменьшался бы по мере удаления от нашего светила гораздо быстрее.
Межпланетная среда также находится под влиянием магнитосфер больших планет — в частности, Юпитера и Сатурна. Они обладают настолько мощным магнитным полем, что в достаточно большой области пространства оно доминирует над магнитным полем Солнца. Это вносит возмущения в потоки солнечного ветра, что вызывает появление полярных сияний на планетах-гигантах.
Если бы межпланетное пространство было вакуумом, температура в нем равнялась бы температуре реликтового излучения — 2,7 градуса Кельвина, или -270,45°C. На самом же деле нагрев частиц в этом пространстве зависит прежде всего от их расстояния до Солнца. Например, средняя температура частиц пыли в Главном астероидном поясе может колебаться от 200 K в его внутренних областях до 165 K во внешних.
Еще одной категорией «населения» межпланетного пространства является межпланетная, или космическая пыль, которая является основным источником метеорных потоков и метеорных дождей (то есть потоков с интенсивностью свыше 1000 метеоров в час). Ее частицы, достигающие поверхности Земли, называются микрометеоритами. Их размер составляет от нескольких молекул до 0,2 мкм, а форма варьируется от почти идеальной сферы до пористых обломков с острыми углами.
На поверхность Земли, по разным оценкам, ежедневно оседает от 60 до 100 тонн космической пыли, что в пересчете составляет 25-40 тысяч тонн в год, или в среднем 8,6 г на квадратный километр. Наиболее легко изучать этих «микроскопических пришельцев», добывая их из многолетних ледников Антарктиды и Гренландии. Исследуя их концентрацию в разных слоях льда, можно проследить связь количества межпланетной пыли с солнечной активностью, а также с появлением ярких комет и другими факторами.
Частицы, не имеющие собственного магнитного поля (таких в межпланетном пространстве подавляющее большинство), подвергаются нещадному воздействию солнечного ветра и космического излучения. В результате мощного бомбардирования высокоэнергетичными частицами межпланетная пыль сама становится источником слабого излучения.
Пыль занимает все межпланетное пространство, но распределена в нем очень неравномерно. Основная ее масса находится поблизости от Солнца во внутренней части гелиосферы и у плоскости эклиптики. Это, в частности, астероидная пыль (результат столкновения астероидов и их частичного разрушения), кометная пыль (продукт кометной активности, выбрасываемый ядрами комет во время их прохождения через внутренние области Солнечной системы), межзвездная пыль, влетающая в Солнечную систему в результате ее движения по Галактике, а также бета-метеороиды — мелкие частицы, для которых давление солнечного излучения сопоставимо с гравитационным притяжением, поэтому оно медленно выталкивает их из сферы притяжения Солнца.
Пыль в межпланетном пространстве также играет свою роль — в частности, она частично рассеивает солнечный свет и поглощает тепловое излучение. По некоторым оценкам, общая масса пыли в Солнечной системе равна массе астероида диаметром примерно 30 км.
Ярким доказательством существования межпланетной пыли является явление зодиакального света. В наших широтах его можно наблюдать весной после вечерних сумерек и осенью перед рассветом. Природа этого явления связана с отражением солнечного света от поверхности многочисленных частиц пыли, находящихся в межпланетном пространстве (в основном между Землей и Солнцем).
Исследования космической пыли и ее анализ позволяют ученым получать информацию о формировании и эволюции Солнечной системы. Она также играет важную роль на ранних стадиях звездообразования и участвует в формировании экзопланет. Частицы межпланетной пыли входят в состав колец Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, они постоянно бомбардируют кометные ядра и астероиды, постепенно их разрушая и одновременно обогащая веществом.
Уникальной особенностью космической пыли является то, что она практически не подвергается разрушению в плотных слоях атмосферы Земли. Микрометеориты размером свыше ста микрометров замедляются при попадании в верхние атмосферные слои достаточно медленно, благодаря чему почти не сгорают и выпадают на земную поверхность без повреждений, и поэтому являются чрезвычайно важным источником для исследования происхождения и первичной природы Солнечной системы.
