Ponoć są takie rzeczy, których nie można sobie wyobrazić.
Nie bacząc na stopień trudności spróbujmy jednak tak uczynić z jedną z nich
Wyobraźmy sobie zatem, że w jakimś dowolnym miejscu w Polsce jest sporych rozmiarów plac. Najlepiej gdyby był więcej niż sporych rozmiarów. W miastach o taki trudno, więc mógłby to być teren po byłym lotnisku w jakimś dowolnym miejscu naszego kraju i że na środku tego placu świeci, sporych rozmiarów i kulistego kształtu, żółty chiński lampion. Załóżmy, iż jego średnica wynosi 70 centymetrów, czyli nasz lampion jest kulą o wymiarach, mniej więcej, typowego stolika kuchennego. A ponadto w odległości 75 metrów od lampionu znajduje się kamyk o rozmiarach średniej wielkości koralika lub grubego śrutu do mocnej wiatrówki. Czyli kamyk ten ma przekrój trochę ponad pół centymetra (6,4 mm). Nawet nie możemy być pewni tego, czy dostrzeglibyśmy ten kamyk stojąc obok lampionu. Znakomita większość z nas nie zdołała by go dostrzec, chociaż nie można wykluczyć, iż mógłby to zrobić ktoś o wybitnie sokolim wzroku.
Taką scenografię możemy sobie łatwo wyobrazić. Pokazuje ona model układu Słońce – Ziemia skonstruowany przy zachowaniu proporcji w odniesieniu do rzeczywistych rozmiarów wymienionych ciał niebieskich, jak też odległości między nimi. Wiemy jednak, iż Słońce i Ziemia są elementami dużo bardziej rozległej struktury, zwanej Układem Słonecznym. W pierwszej części tej opowieści postaram się, aby w zaproponowanej skali przedstawić, jak wygląda otoczenie naszego kosmicznego domu. W budowanym modelu, pomiędzy Słońcem i Ziemią umieścimy jeszcze dwa kamyki. A właściwie to jeden kamyk o rozmiarach prawie dokładnie takich, jak ten symbolizujący Ziemię, który umieścimy 20 metrów bliżej lampionu-Słońca, oraz kamyczek prawie dwukrotnie mniejszy od poprzednich, jeszcze kolejne 30 metrów bliżej. Kamyk i kamyczek w naszym modelu przedstawiają planetę Wenus oraz planetę Merkury. Ponadto Ziemia ma sporych rozmiarów naturalnego satelitę, czyli Księżyc, który przedstawiałby zupełnie malutki kamyczek, a nawet wystarczyłoby do tego ziarnko żwiru o grubości niecałych 2 mm I to ziarnko żwiru znalazłoby się w odległości 20 centymetrów od kamyka-Ziemi.
Do dalszej budowy modelu potrzebny jest jeszcze jeden kamyk o wielkości, mniej więcej, połowy kamyka-Ziemi i położony od niego jeszcze o 40 metrów dalej, licząc od lampionu-Słońca. W ten sposób nasz model został uzupełniony o planetę Mars. Rzeczywisty Mars posiada dwa księżyce o nazwach działających mocno na wyobraźnię, bo nazywają się one Strach i Przerażenie
(łac. Phobos i Deimos). Jednak w przyjętej dla naszego modelu skali nie można ich przedstawić, gdyż powoduje ona, że obiekt o średnicy 1000 km posiada rozmiar 0,5 milimetra. A Fobos i Dejmos to zaledwie kilkunastokilometrowe bryły skalne. Przy okazji księżyców Marsa warto przytoczyć dygresję. Otóż istnienie ich zostało „wykrakane” przez Jonathana Swifta w książce pt: „Podróże Guliwera”. I chociaż pierwsze wydanie tej książki ukazało się w 1726 roku, to astronomowie wypatrzyli te księżyce dopiero 100 lat później. Ostatni z kamyków umieściliśmy w odległości 115 metrów od lampionu-Słońca.
Wiemy jednak, że nasz model w tym stadium budowy przedstawia tylko fragment rzeczywistego Układu Słonecznego, ale ponieważ mamy do dyspozycji wystarczająco rozległy plac, wobec tego możemy kontynuować budowę. A zatem w odległości 390 metrów od lampionu-Słońca i 315 metrów od kamyka-Ziemi umieścimy średniej wielkości pomarańczę, która przedstawia planetę Jowisz. W porównaniu do dotychczas zainstalowanych kamyków i kamyczków jest to gigant o średnicy ponad siedmiu centymetrów (7,2 cm).W rzeczywistym kosmosie Jowisz otacza kilkadziesiąt naturalnych satelitów (księżyce), ale możemy w modelu umieścić tylko cztery z nich (Io, Europa, Ganimed, Callisto), czyli tylko te, których rozmiary są wystarczająco duże. Niektórzy może wiedzą, że są to tzw. księżyce galileuszowe, czyli zaobserwowane po raz pierwszy przez Galileusza za pomocą układu soczewek (luneta). Księżyce Jowisza znajdowałyby się w różnych miejscach na przestrzeni 15 metrów od planety-pomarańczy. Z kolei w odległości 715 metrów od lampionu-Słońca i 640 metrów od kamyka-Ziemi znalazłaby się trochę mniejsza pomarańcza, a może jeszcze lepiej mandarynka o średnicy 6,0 cm i przedstawiałaby planetę Saturn. Podobnie jak w przypadku Jowisza, prawdziwy Saturn otoczony jest gromadą kilkudziesięciu księżyców, ale ze znanych już powodów moglibyśmy zaznaczyć tylko pięć z nich (Tethys, Dione, Rea, Tytan, Japet). Saturnowy księżyc Tytan, obok księżyca Jowisza Ganimeda, to dwa największe tego rodzaju obiekty Układu Słonecznego. Ich rozmiary są o połowę większe od Księżyca ziemskiego i są większe od planety Merkury. Ponadto większe rozmiary od ziemskiego Księżyca ma jeszcze tylko jowiszowy Callisto, natomiast jowiszowe Io i Europa mają rozmiary zbliżone do Księżyca. Imiennie wymienione, jak i pozostałe, księżyce Saturna byłyby porozrzucane w odległości do 8 metrów od mandarynki-planety. Możemy nawet umieścić wokół mandarynki wstążeczkę, która przedstawiałaby nam pyłowe pierścienie Saturna. Jeszcze dalej, nieomal 1,5 km od lampionu-Słońca znajdowałby się orzech włoski o średnicy jednego cala (2,5 cm). To byłaby planeta Uran. Gdybyśmy chcieli dojrzeć ten orzech z miejsca przy lampionie lub kamyku-Ziemi, nie byłoby to możliwe bez pomocy przyrządu optycznego (co najmniej mocna lornetka, itp.). Prawdziwy Uran także posiada sporo księżyców, a w naszym modelu możemy uwzględnić cztery z nich (Ariel, Umbriel, Tytania, Oberon). Wszystkie znane księżyce zgrupowane byłyby w odległości do jednego metra od orzecha-planety.
Najdalej od lampionu-Słońca, bo w odległości ponad dwóch kilometrów (2,2 km), znajdowałby się jeszcze jeden orzech włoski tylko minimalnie mniejszy niż poprzedni. To byłby modelowy Neptun, czyli ostatnia planeta Układu Słonecznego. Jak wszystkie wielkie planety Układu, także Neptun posiada dość liczne grono księżyców, które skupiłyby się w odległości do 5 metrów. Ale tylko jeden z nich moglibyśmy uwzględnić w naszym modelu, a mianowicie Trytona, którego średnica wynosi, mniej więcej, trzy czwarte średnicy Księżyca ziemskiego.
Gdybyśmy zatem, stojąc przy ostatnim orzechu, spojrzeli w kierunku lampionu-Słońca dostrzeglibyśmy zamiast silnie świecącej dużej kuli, niewielką żaróweczkę. A gdyby dokoła lampionu zostały zapalone jeszcze inne światła, mielibyśmy spory kłopot, aby wskazać pośród nich nasze „Słońce”.
Wymieniliśmy i uwzględniliśmy w ramach tak zbudowanego modelu główne obiekty struktury Układu Słonecznego, pośród których jest Ziemia. Chociaż ryzykujemy silne nadwyrężenie wyobraźni, musimy w nim przedstawić i uwzględnić jeszcze jeden rodzaj bardzo szczególnych i kłopotliwych obiektów. Nie są to ani planety, ani ich naturalne satelity (księżyce). Obiektem tym jest gruz kosmiczny, czyli pozostałości obłoku planetarnego, z którego uformował się Układ Słoneczny, a które nie zostały wykorzystane do budowy Słońca i planet i nie zostały dotychczas uwięzione w polach grawitacyjnych planet jako ich księżyce lub pyłowe pierścienie. Mowa jest o rumowisku skalno-lodowych odłamków o bardzo zróżnicowanych rozmiarach, uwięzione grawitacją Słońca na orbitach okołosłonecznych, a nazywamy je planetoidami oraz kometami. Lód w strukturze komet i planetoid to nie tylko zamarznięta woda, ale także scalony dwutlenek węgla, cyjanowodór i inne związki zawierające węgiel i siarkę. Lód ten jest nasycony radioaktywnym izotopem wodoru (tryt), którym skaża się wskutek oddziaływania twardego promieniowania kosmicznego.
Najbliższy Słońcu i Ziemi pas planetoid przebiega między orbitami Marsa i Jowisza, mniej więcej, od dwóch do trzech razy dalej niż Ziemia. Składa się on z nieokreślonej ilości, w większości niewielkich fragmentów gruzu skalnego. Oszacowano natomiast (w przyblizeniu), że ok. jednego miliona tych fragmentów ma średnicę powyżej 1 km, z czego ok. 1000 sztuk zawiera się w granicach 30-100 km oraz ok. 200 sztuk to kolosy o średnicy powyżej 100 km.
Trzy największe planetoidy pasa, tj. Ceres, Pallas i Westa mają średnice o rozmiarach odpowiednio 460, 260 i 250 km i zawierają blisko połowę masy wszystkich planetoid w pasie. W naszym modelu moglibyśmy zaznaczyć taki pas planetoid np. szczyptami popiołu zupełnie mikroskopijnych rozmiarów, zagubionymi w pasie o szerokości 90 metrów, który zaczynałby się ok. 160 metrów od lampionu-Słońca, a kończył gdzieś w odległości ok.250 metrów od niego. Grawitacja Jowisza wymiotła dotychczas z pasa oraz wymiata nadal dużą część planetoid (obecny pas jest resztówkową pozostałością znacznie większej ongiś tej struktury), niektóre przechwytuje i zostają księżycami Jowisza, a pozostałe, nie wyrzucone jeszcze, grupuje w tzw. węzłach rezonansu. Rezonans powstaje wówczas, gdy okres obiegu planetoidy wokół Słońca stanowi całkowitą wielokrotność takiego obiegu przez Jowisza, czyli najczęściej są to rezonanse o proporcjach 2:1, 3:1, 3:2, 4:1. Pewna część planetoid porusza się na rezonansowej orbicie z Jowiszem o wartości 1:1. Szacuje się, że zbiorcza masa pasa planetoid to ok. 5,0% masy ziemskiego Księżyca, który z kolei ma masę ok. 1,2 % masy Ziemi. Niby to mało, ale zderzenie z Ziemią obiektu z pasa planetoid, którego rozmiar wynosiłby nie mniej niż 2,0 km średnicy, spowodowałoby globalny kataklizm i najprawdopodobniej zniszczyło znakomitą większość ekosystemu na planecie wraz z prawie wszystkimi istotami żywymi. Stąd też ważnym zadaniem astronomów jest monitorowanie orbit poszczególnych planetoid pasa. Dotychczas zidentyfikowano i ustalono orbity dla kilkadziesięciu tysięcy takich obiektów. Morał z tego taki, że żadne niespodzianki nie są wykluczone, ale póki co, powinniśmy traktować pas planetoid tak, jak arsenał zardzewiałych niewypałów. Ale też bez jakiejś nadmiernej przesady, skoro zbiorcza masa pasa planetoid to około 5,0% masy naszego niespełna dwumilimetrowej średnicy ziarnka żwiru, czyli modelowego Księżyca. Powinniśmy być wdzięczni, że Jowisz oraz Saturn, ci kosmiczni strażnicy Ziemi, mają tak duże rozmiary i swoją grawitacją albo wyrzucają planetoidy gdzieś na dalekie kresy Układu Słonecznego, albo trzymają je na uwięzi, aby obiegały Słońce po orbitach, w miarę odległych od naszej planety.
Kolejnym zbiorowiskiem takiego gruzu jest pas planetoid za orbitą Neptuna. Musiało ono otrzymać nazwę własną, aby można było odróżnić je od poprzedniego pasa. Znane jest ono jako Pas Kuipera, oczywiście od nazwiska odkrywcy (Gerard Peter Kuiper – astronom amerykański holenderskiego pochodzenia). W naszym modelu byłby to obszar rozciągający się od 3 do 8 km od lampionu-Słońca. Niedawno Pas Kuipera wzbogacił się o jednego z największych swoich przedstawicieli, został nim Pluton i jego kilka księżyców, z których jedynie Charon mógłby być odrębnym pyłkiem w naszym modelu (Charon ma ok. 1200 km średnic, czyli rozmiar dwóch trzecich Plutona). Wynikło to wzbogacenie z okoliczności, w której Pluton, mający dotychczas status planety, w 2006 roku decyzją Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU) został go pozbawiony. Po prostu, zdaniem astronomów z ww. Unii był, jak na planetę, zbyt mały. Po tej degradacji stanowi obecnie wraz ze swoim największym księżycem (pozostałe trzy są znacząco mniejszych rozmiarów), ciasny układ dwóch planetek, czyli coś pośredniego między planetą a planetoidą. W naszym modelu wspomniany układ planetek reprezentowany byłby przez ziarnko żwiru o średnicy nieco ponad 1mm (Pluton) oraz oddalone od niego o 1 cm drugie, trochę mniejsze ziarnko żwiru (Charon). Oba ziarnka umieścilibyśmy w odległości prawie 3 km od lampionu-Słońca. Szacuje się , że w Pasie Kuipera mogą być nawet tysiące planetoid o rozmiarach większych niż 100 km, oraz nieoszacowana ilość obiektów o mniejszych rozmiarach. Dotychczas rozpoznanych zostało około tysiąca obiektów o większych rozmiarach, które znajdują się przy wewnętrznej krawędzi tego pasa. Bardziej odległe obiekty są bowiem niewidoczne nawet przy użyciu wielkich teleskopów. Stąd wniosek, iż poza pojedynczymi przypadkami (Eris, Makemake, Haumea, Sedna , 2007 QR), żaden z pozostałych lokatorów Pasa Kuipera nie mógłby być uwzględniony w modelu.
Obydwa skrótowo przedstawione pasy planetoid są głównym rezerwuarem komet. Gdy któraś z planetoid, z powodu np. zawirowań w oddziaływaniach grawitacyjnych, zostanie wytrącona ze swojej, w miarę kołowej, stabilnej i dalekiej od Słońca orbity, i w wyniku takich perturbacji trajektoria jej orbity stanie się nazbyt ekscentryczna oraz silnie eliptyczna, to może w swoich fragmentach zacząć przebiegać w okolicach Słońca (i Ziemi). Jeśli jej tor będzie przebiegać bliżej niż wynosi dwukrotna odległość Ziemi od Słońca, zamarznięte frakcje planetoidy zaczną się ogrzewać i ulatniać (sublimacja). Planetoida będzie „parować”, a my będziemy mogli ją dostrzec jako kometę z towarzyszącym jej wówczas warkoczem ulatniających się cząstek i gazów. A jeśli przeleci obok Słońca i oddali się od niego poza graniczną odległość, warkocz zaniknie, bo kometa ponownie zamarznie. I jeśli kometa pojawia się cyklicznie, traci w końcu tak dużo ze swojej substancji, że jej struktura staje się coraz bardziej „luźna”, czyli kometa rzeszotowieje i może rozpaść się całkowicie albo częściowo, bo jej dotychczas scalone lodem fragmenty, w sytuacji gdy lód odparuje, stracą wiążące je spoiwo. Część takich fragmentów może uderzyć w Ziemię, ale wówczas prawie wszystkie spalą się w atmosferze. Wówczas widzimy to zjawisko jako meteoryty.
Kilka razy do roku są to prawdziwe deszcze meteorytów, czyli szczątków komet, które obiegają Słońce. A że te okruchy sa bardzo mikroskopijnych wymiarów, grawitacja Słońca silnie odkształca dosłonecznie trajektorię ich orbit. Ziemia znajduje się względnie blisko Słońca, więc na ziemskim niebie meteoryty są często obserwowanym zjawiskiem. Komety pochodzące z pasa planetoid, mają okresy obiegu wokół Słońca w granicach kilku lat, natomiast wywodzące się z Pasa Kuipera mają okresy obiegu kilkudziesięcioletnie lub dłuższe. Najbardziej znanym przedstawicielem tych ostatnich jest kometa Halley’a. Typowa kometa ma rozmiary w granicach kilkunastu lub kilkudziesięciu km. Co oznacza, że w naszym modelu nie możemy przedstawić komet, gdyż w przyjętej skali nie mogą być one widoczne. Niemniej, powinniśmy koniecznie pamiętać, że istnieją.
I wreszcie na najdalej wysuniętych rubieżach Układu Słonecznego znajduje się najbardziej rozległe zbiorowisko podobnych obiektów. Sięga ono prawie połowy odległości do najbliższej gwiazdy od Słońca. W skali właściwej dla naszego modelu musiałoby zatem sięgać do odległości 7.500 – 8.000 km i, oczywiście, na Ziemi nie znajdzie się plac o tak dużych rozmiarach. Musimy zrezygnować z jego zaznaczenia i pozostaje nam w tym przypadku do dyspozycji tylko wyobraźnia. Zbiorowisko to określane jest jako Obłok Oorta lub Chmura Oorta, oczywiście także od nazwiska jego odkrywcy (Jan Hendrijk Oort astronom holenderski). Uważa się, że zawiera ono setki miliardów, a może bilionów planetoid, komet oraz zamarzniętych fragmentów z pyłów, gazów i kurzu. Najbliższa krawędź Obłoku w skali naszego modelu znajdowałaby się w odległości minimum 200 km od lampionu-Słońca. Gdy jakiś obiekt z Obłoku zabłądzi do wewnętrznych rejonów Układu Słonecznego, to z pewnością prędko tutaj nie powróci, gdyż poruszać się będzie po orbicie parabolicznej. Pełny taki obieg to grube tysiące, dziesiątki lub setki tysięcy lat. Tego rodzaju odwiedziny zdarzają się rzadko, jednym z ostatnich a widowiskowych obiektów była kometa Hyakutake, która przeleciała w okolicach Słońca w 1994 roku. Znacząca destabilizacja bodaj części tego zbiorowiska, jakim jest Chmura Oorta, spowodowana np. oddziaływaniem jakiegoś masywnego ciała niebieskiego, które zbliżyłoby się do rubieży Układu Słonecznego, mogłaby spowodować dosłownie „dopust Boży” na planetach naszego Układu.
Na tym możemy zakończyć prezentację sąsiedztwa Ziemi. Problem jednak w tym, że przedstawiony model jest statyczny. Powinniśmy spróbować wyobrazić sobie zachowanie jego głównych składników w ruchu. W tym celu już po raz ostatni wypada uruchomić wyobraźnię. Dla uproszczenia przyjmiemy, że orbity wszystkich planet w naszym modelu są okręgami.
W rzeczywistości tak dokładnie nie jest, ale dla przyjętej przez nas skali jest to wystarczająco poprawne przybliżenie.
W tym miejscu wstawiam (kursywą) tekst dla hobbystów astronomii, pozostali moga sobie czytanie tego fragmentu podarować.
I tak, Słońce-lampion będzie jedynym nieruchomym elementem tej struktury. Merkury, który pełny obieg wokół Słońca wykonuje w 88 dni, co oznacza że pędzi po orbicie wokół Słońca
z prędkością ponad 150.000 km/godz., zaś w skali naszego modelu kamyk przedstawiający tą planetę przesuwałby się w takim czasie co godzinę o8 cm. Z kolei Wenus wykonuje taki obieg w niespełna 225 dni, pędząc ok. 125.000 km/godz., co oznacza, że w skali naszego modelu kamyk-Wenus poruszałby się przez taki właśnie czas z prędkością6 cm na godzinę. Odpowiednio, kamyk Ziemia przez 365 dni, co godzinę przesuwałby się o odległość5 cm, a kamyk Mars przez 687 dni, co godzinę trochę ponad4 cm. Dla kategorii planet-olbrzymów (grupa owocowa w naszym modelu), ze względu na ich odległości od Słońca i rozmiary orbit musimy zamienić jednostkę prędkości orbitalnej z godziny na dobę. Tak więc, pomarańcza Jowisz przez okres 11,9 lat, w przeciągu każdej doby przemieszczałby się o ok.20 centymetrów, mandarynka Saturn przez 29,5 roku o około2 cm, orzech Uran przez 84 lata przesuwałby się o1,2 cm, natomiast orzech Neptun przez 165 lat o około1 cm. Podam dla porównania, że w rzeczywistości Ziemia porusza się po swojej orbicie wokół Słońca z prędkością ponad 100.000 km/godz. Jowisz ok. 50.000 km/godz., a Neptun trochę ponad 18.000 km/godz. Co oznacza po prostu, iż jeśli planeta obiega Słońce po bardziej odległej orbicie, wówczas jej liniowa prędkość orbitalna jest mniejsza.
Musimy jeszcze wspomnieć, że do modelu planet olbrzymów, czyli naszej pomarańczy, mandarynki i dwóch orzechów włoskich musielibyśmy włożyć im do środka trochę kamyków o rozmiarach tego, który symbolizuje w modelu planetę Ziemia. Planety te, obok grubych i gęstych atmosfer gazowych (np. Jowisz ma taką atmosferę o grubości 1000 km) mają również skaliste jądra o masach wielkości kilku lub kilkunastu planet o rozmiarach Ziemi. Tak więc kamyki byłyby jak najbardziej przydatne do tego celu. Odpowiednio do pomarańczy-Jowisza musielibyśmy włożyć kilkadziesiąt kamyków, do mandarynki-Saturna kilkanaście, a do orzechów po kilka. Do lampionu-Słońce nie musielibyśmy wkładać żadnych kamyków, gdyż prawdziwe Słońce nie ma skalistego jądra. Natomiast masa lampionu musiałaby odpowiadać, mniej więcej, 330 tysiącom kamyków-Ziemi. Co prawda, w objętości lampionu można by zmieścić około 1,4 miliona takich właśnie kamyczków, ale rzeczywiste Słońce ma średnią gęstość ponad czterokrotnie mniejszą, niż wynosi średnia gęstość Ziemi.
Jeśli popatrzymy na nasz ukończony już model Układu Słonecznego, ograniczając go do koła o trzykilometrowym promieniu, liczonym od lampionu-Słońca, zauważymy, że składałby się on głównie z olbrzymich obszarów pustki. Wystarczy przecież wyobrazić sobie, że w jednym miejscu zebraliśmy lampion, kamyki, kamyczki, żwir a nawet szczyptę popiołu, pomarańczę, mandarynkę i dwa orzechy. Wszystko razem zajęłoby na powierzchni takiego koła miejsce o wielkości nie wartej wzmianki. I chociaż na naszym uproszczonym modelu łatwo można dojść do wniosków o znikomości znaczenia poszczególnych kamyków, to przecież na jednym z nich pojawiły się istoty, które takie i podobne struktury zdolne są badać, rozpoznawać i zrozumieć ich funkcjonowanie.
Tym samym udało się naszkicować model Układu Słonecznego według rzeczywistych proporcji dla odległości między obiektami, które go tworzą oraz rzeczywistych proporcji wielkości tych obiektów. Dla zilustrowania usytuowania planety Ziemia i uwarunkowań związanych z tym usytuowaniem, konieczne będzie wspomnienie o jeszcze jednym parametrze, a mianowicie masie1, którego nie można pominąć w opowieściach o kosmosie. Wszystkie obiekty we Wszechświecie spaja siła przyciągania, która jest wprost proporcjonalna do masy takich obiektów i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi. Jest to siła grawitacji, sformalizowana matematycznie w postaci stosownego wzoru przez sir Izaaka Newtona w 1687 roku, jako prawo powszechnego ciążenia. Grawitacja jest dominującym oddziaływaniem we wszechświecie, dlatego także w przypadku Układu Słonecznego niezwykle istotne są relacje pomiędzy masami podstawowych jego składników. Wyskalujemy je w ten sposób, iż masie Ziemi przypiszemy wartość o nominale „1”, zaś wszystkie inne masy będą stanowiły jej wielokrotność lub część ułamkową.
Słońce posiada masę będącą odpowiednikiem 328.900 mas Ziemi. Jest to wielkość nieco zaokrąglona, ale to zaokrąglenie nie przekracza 0,01 procenta. Masy pozostałych obiektów też nieznacznie zaokrąglimy. Najbliższa Słońca planeta, czyli Merkury, ma masę 18 razy mniejszą niż Ziemia, dla naszych potrzeb przypiszemy jej wartość 0,055. Masy pozostałych planet w tej proporcji wynoszą: Wenus 0,81; Mars 0,11; Jowisz 317,9; Saturn 95,2; Uran 14,5; Neptun 17,1.
Łącznie z Ziemią (masa 1,0) masa planet wynosi 446,7. Pozostały nam księżyce, planetoidy i
i komety. W tej proporcji masa ziemskiego Księżyca, który posiada masę 81 razy mniejszą niż Ziemia, wyniesie 0,0123. Jeśli zatem przyjmiemy dla pozostałych obiektów łączną masę w wysokości 0,3 masy Ziemi, co stanowi ekwiwalent 24 ziemskich Księżyców, to wielkość taka powinna w zupełności wystarczyć, ale nie musimy jej zbyt dokładnie przedstawiać, bo ma ona znaczenie marginalne. Gdy zsumujemy podane wielkości okaże się, że masa wszystkich planet i ich księżyców oraz planetoid stanowi odpowiednik 447 mas Ziemi, a to wynosi zaledwie 0,13 procent masy Słońca. Razem ze Słońcem masa Układu odpowiada 329.347 masom Ziemi, zatem na Słońce przypada 99,87% całej masy2. Dysproporcja w wielkości mas Słońca i planet powoduje, iż punkt ciężkości układu w relacji planety – Słońce znajduje się bardzo blisko powierzchni Słońca. Decyduje ona także o tym, iż ruch względny Słońca wokół wspólnego środka masy jest minimalny, co z kolei determinuje wysoką stabilność orbit wokółsłonecznych wszystkich planet Układu. Jest tak minimalny, ze odpowiada przesunięciu Słońca o grubość ludzkiego włosa mierzonego z odległości trzech km. Inaczej mówiąc, umożliwiłoby to zarejestrowanie oddziaływania na taką gwiazdę jak Słońce, takiej planety jak Jowisz, do odległości max. 10 lat światła. Aby zarejestrować oddziaływanie mniej masywnych planet lub takie oddziaływanie dla bardziej odległych gwiazd trzeba skonstruować bardziej precyzyjne instrumenty lub wynieść przyrządy do tego rodzaju pomiarów astrometrycznych ponad atmosferę ziemską. Taką właśnie misję prowadzi, między innymi, obserwatorium kosmiczne Kepler wyniesione na orbitę okołoziemską w I kwartale 2009 r. W ziemskich obserwatoriach buduje się interferometry do mierzenia zakłóceń promieni świetlnych z powodu „kołysania się” gwiazdy pod wpływem siły ciężkości obiegającej je planet. Istnieją i funkcjonują już obecnie techniki pomiaru o cztery rzędy większej rozdzielczości, niż wymagane do zaobserwowania względnego ruchu w układzie Słońce – Jowisz z odległości 10 lat światła.
Jak trudne do wyobrażenia są wielkości związane z Układem Słonecznym dobrze zobrazuje taki np. fakt, iż Słońce traci w ciągu każdej sekundy 200 milionów ton swojej materii, wyrzucając ją
w przestrzeń w postaci tzw. wiatru słonecznego. Traci materię w tym tempie od kilku miliardów lat,
i będzie nadal jeszcze ją traciło przez następnych kilka miliardów lat.
Z przytoczonych wielkości wynika, iż łączna masa planet, tzw. gazowych olbrzymów (Jowisz, Saturn, Uran, Neptun) to ok. 99,5% masy wszystkich planet, natomiast na małe skaliste globy typu ziemskiego (Merkury, Wenus, Ziemia, Mars) przypada pozostałość w wymiarze 0,5%. W takiej relacji masa Ziemi stanowi 0,2%, a masa Jowisza ok. 71,1% łącznej masy planet. Planety Jowisz i Saturn stanowią razem 92,4% tej masy. Pozycja poszczególnych planet w Układzie Słonecznym powoduje, iż te dwie najbardziej masywne z nich okrążają Słońce daleko poza orbitą Ziemi i spełniają rolę tarczy grawitacyjnej odchylającej trajektorie drobniejszych intruzów kosmicznych. I w ten sposób znakomita większość tych intruzów uzyskuje trajektorię omijającą orbitę Ziemi. Po uformowaniu się obecnego układu planetarnego oddziaływanie grawitacyjne planet-olbrzymów spełniło rolę odkurzacza, który wymiatał większość gruzowiska lodowo-skalnego, a które nie zostało zużyte do budowy planet. Szczątki te zostały wyekspediowane siłami pływowymi planet olbrzymów daleko poza wewnętrzne rejony Układu Słonecznego, czyli usunięte z okolic Ziemi. Wyrzucone grawitacją Jowisza i Saturna składniki gruzowiska zasiliły bądź dalekie peryferie Układu (Obłok Oorta), bądź zostały wyrzucone w przestrzeń międzygwiezdną. Wewnątrz Układu, między orbitą Marsa i Jowisza, krążą na orbitach okołosłonecznych niewielkie ich pozostałości w postaci pasa planetoid. Gdyby masy Jowisza i Saturna były znacząco mniejsze lub ich usytuowanie względem Ziemi i Słońca byłoby inne, częstość katastrofalnych zderzeń Ziemi z kometami czy planetoidami byłaby ok. 1000 razy większa. To oznacza, iż do takich katastrof, które w dziejach planety oznaczały „wielkie wymieranie”, dochodziłoby zamiast co, mniej więcej, 50 lub 100 milionów lat, co 50 lub 100 tysięcy lat.
Z modeli możliwych wariantów planetogenezy nie wynika, czy znana nam struktura układu planetarnego w Układzie Słonecznym może być typowa dla innych układów planetarnych przy innych gwiazdach. Pierwotny obłok protoplanetarny, z którego powstało Słońce i planety posiadał materię na utworzenie jednej gwiazdy i ośmiu planet, z czego tylko jednej planety rozmiarami wyraźnie dominującej nad pozostałymi (Jowisz). Gdyby obłok protoplanetarny posiadał wielokrotnie większe rozmiary, mogłoby wystarczyć budulca na utworzenie drugiej gwiazdy. Jeśli na miejscu Jowisza powstałby obiekt o masie 80-100 razy większej, uzyskałby wówczas masę generującą wartości ciśnienia i temperatury w jądrze, wystarczające do zainicjowania nukleosyntezy i zapalenia wodoru. Stałby się gwiazdą z dolnej granicy rozmiarów dla gwiazd, czyli samograwitującym reaktorem nuklearnym, zaś Układ Słoneczny byłby wówczas ciasnym układem gwiazdy podwójnej. Miałoby by to najprawdopodobniej tego rodzaju konsekwencje, że siły pływowe istniejące pomiędzy oboma składnikami gwiezdnymi nie pozwoliłyby na znane obecnie uformowanie planet, natomiast pozostałości materii obłoku planetarnego w formie pasa planetoid krążyłyby wewnątrz systemu planetarnego. Możliwe byłoby tez wyrzucenie ukształtowanych już planet z układu przez oddziaływanie grawitacyjne ciasnego układu gwiazd lub też zlokalizowanie ich ich na bardzo ciasnych orbitach okołogwiezdnych. Możemy stworzyć modele dla dowolnej liczby wariantów, ale i tak zweryfikuje je empiria, gdy będziemy je sukcesywnie rozpoznawać.
Z kolei, w przypadku gdyby masa Jowisza była znacząco mniejsza, skalno-lodowe pozostałości obłoku planetarnego krążyłyby w dużych ilościach wewnątrz układu, gdyż nie mogłyby być wyrzucone daleko poza jego granice z powodu niewystarczającej do tego siły grawitacji. Znacznie większa ich ilość przez znacznie dłuższy czas zderzałaby się z Ziemią. Odłamki takie zawierają lód, co oznacza, iż stanowią one główne źródło istniejących zbiorników wodnych na planecie. W rezultacie bardziej obfitego zasilania lodem, który ulegałby roztopieniu, cała planeta mogłaby zostać zalana wodą, czyli jej powierzchnię pokrywałby jednolity ocean, bez miejsca na suchy ląd. Możliwych scenariuszy planetogenezy ze względu na jej odmienne warunki początkowe można skonstruować znacznie więcej. Powstanie planet typu ziemskiego wokół gwiazdy zależy w decydującym stopniu zarówno od rozmiarów, jak też składu chemicznego obłoku protoplanetarnego, tzn. czy zawiera on w wystarczającym stopniu koncentracji takie pierwiastki, jak krzem, węgiel, żelazo, tlen, azot, etc. Masa planet skalistych nie może być dowolnie wielka, im większa taka masa, tym większa siła ciążenia, która ma np. wpływ na krążenie płynów ustrojowych. Wyobraźmy sobie przez chwilę, że na Ziemi jest dwukrotnie wyższa grawitacja. Jaką grubość musiałyby mieć wówczas ścianki żylne lub tętnicze, jak wyglądać by miały naczynia włoskowate, jak masywne musiałoby być serce konieczne do przepompowywania dwa razy cięższej krwi w organizmach żywych. I jaką wytrzymałość musiałyby mieć struktury mózgowe, aby wytrzymać wcale popularne objawy uderzenia krwi do głowy.
Po przedstawieniu najważniejszych parametrów sytuujących nasze miejsce wśród obiektów Układu Słonecznego możemy przejść do zasadniczego tematu naszego opowiadania, czyli skoncentrować się na przypadku planety Ziemia. Potocznie mówi się, że Ziemia ma kształt kulisty, ale takie określenie zawiera w sobie uproszczenie. W rzeczywistości kształt naszej planety jest odmianą elipsoidy trójosiowej, zwanej geoidą. Jej objętość wynosi ponad 1 bilion km sześć.. Ze względu na to, iż Ziemia obraca się wokół swojej osi, czyli wiruje jak bąk, ulega pod wpływem siły odśrodkowej nieznacznemu zdeformowaniu, a mianowicie spłaszczeniu. Spłaszczenie mierzone na długości promienia biegunowego wynosi ok.21,5 km (0,34%), zaś na długości promienia równikowego0,2 km (0,003%), czyli jest ok. 100 razy mniejsze. Około 71,0% powierzchni planety pokrywają wody. Łączna objętość wody to ok. 1,3 mld km3, z czego 99,7% przypada na oceany i morza, a reszta na całą resztę. Około 2,0% wody jest zamarznięte w postaci lodu polarnego. Gdyby zatem powierzchnię planety zniwelowano, wyrównując na niej średnią wysokość, pokryła by ją w całości warstwa wody o głębokości, mniej więcej,1,5 km.
Ziemię otacza warstwa atmosfery, której masa, w wystarczającym przybliżeniu, stanowi jedną milionową masy planety. Relacja między wodą a atmosferą stanowi rodzaj sprzężenia zwrotnego, gdyż okresowo nawet do 4,0% wody występuje pod postacią pary wodnej. Oczywiście największa koncentracja pary wodnej występuje w warstwie atmosfery bliskiej powierzchni. Właściwie nie ma przekonujących symulacji świadczących o tym, czy taka ilość wody, jaka znajduje się na Ziemi oraz związana ze średnią temperaturą na planecie szybkość jej cyrkulacji w ekosystemie, jest niezbędna dla względnej stabilności warunków klimatycznych i wydajności takiego mechanizmu transportującego niezbędną ilość wody dla procesów życiowych w obserwowanej różnorodności organizmów biologicznych. Czy np. mniejsza ilość wody, mniejsza jej powierzchnia parowania oraz głębokość (pojemność w absorpcji np. dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych), nie powodowałaby zbytniego wysuszania atmosfery i związanego z tym postępującego pustynnienia obszarów lądowych.
Najprawdopodobniej byłby to proces o dodatnim sprzężeniu zwrotnym, bo zmniejszająca się ilość pary wodnej w atmosferze byłaby także czynnikiem oziębiającym klimat. Oprócz dwutlenku węgla, para wodna jest ważnym elementem efektu cieplarnianego, gdyż pojemnym kondensatorem energii dostarczanej przez Słońce. Ponadto wszyscy już chyba wiedzą, że najbardziej znanym czynnikiem, który odpowiada za powstawanie efektu cieplarnianego jest dwutlenek węgla. Jego stężenie w atmosferze ziemskiej wynosi jakieś 0,03%. Efekt cieplarniany, oczywiście w dotychczasowych granicach, jest konieczny do tego, aby średnia roczna temperatura planety była wyraźnie dodatnia (wynosi 15 – 16 oC). Bez niego temperatura na naszej planecie byłaby wyraźnie ujemna (-18 oC), a zatem powierzchnia Ziemi wyglądałaby zupełnie inaczej, gdyż byłaby skuta lodem. Efekt cieplarniany odpowiada za podwyższenie średniej temperatury przy powierzchni planety o ok. 33 oC.
Nie można także pominąć takiego elementu mającego wpływ na temperaturę, że sporych rozmiarów planeta skalista, jaką jest Ziemia, jeszcze całkowicie nie ostygła (jak np. Księżyc czy prawie Mars) i występuje na niej w znaczących rozmiarach aktywność tektoniczna. Na stabilność (względną) klimatu na Ziemi wpływ ma jeszcze jeden istotny czynnik, a mianowicie wielkość naturalnego satelity Ziemi. Proporcja rozmiarów i masy Księżyca w odniesieniu do Ziemi jest przypadkiem niespotykanym dla innych planet i ich księżyców w Układzie Słonecznym (wyłączamy z rozważań przypadek układu planetek Pluton – Charon). Masa Księżyca wynosi ok. 1,2% masy Ziemi i jest kilka rzędów wyższa, niż łączne masy innych księżyców w stosunku do ich planet macierzystych. Taki właśnie stosunkowo masywny Księżyc powoduje, iż oś nachylenia Ziemi do płaszczyzny jej orbity okołosłonecznej nachylona jest, mniej więcej, pod stabilnym kątem, który waha się w granicach od 22,0 do 24,6 stopni i ponownie do 22,0 stopni w ciągu 41.000 lat. Gdyby Księżyc miał znacząco mniejszą masę lub w ogóle by go nie było, to wówczas wahania nachylenia osi ziemskiej sięgałyby rozpiętości od 5 do 85 stopni. To zaś oznaczałoby, iż w pewnych okresach na równiku byłoby zimniej niż na biegunach i, oczywiście, na odwrót. Ponadto mało masywny Księżyc powodowałby, iż wahania takie byłyby chaotyczne w czasie, co powodowałoby katastroficzne zmiany klimatu o nieprzewidywalnych interwałach czasowych. Ponadto, jak wiadomo, masywny Księżyc oddziaływuje na występowanie silnych pływów w ziemskich oceanach, powodując okresowe regularne zalewanie obszarów przybrzeżnych (przypływy i odpływy). Najprawdopodobniej zjawisko to odegrało decydującą rolę w wyjściu i ekspansji życia biologicznego z wody na ląd. Jeśli nie byłoby grawitacyjnego oddziaływania Księżyca pływy oceaniczne w praktyce by nie występowały.
Atmosfera ziemska to, objętościowo, przede wszystkim azot (78,1%) oraz tlen (21,0%), para wodna zawiera się okresowo w granicach 0-4 procent, argon 0,9 %, dwutlenek węgla 0,03%. Jednym z najistotniejszych składników atmosfery jest ozon (tlen trójatomowy), chociaż występuje on w śladowych ilościach, a jego objętość w atmosferze to zaledwie 0,00004% .Ozon występuje tam, gdzie atmosfera zawiera tlen. Powszechnie uważa się, że zawartość tlenu w atmosferze planety jest warunkiem możliwości istnienia na niej życia biologicznego. Nie jest to jednak czynnik bynajmniej jednoznaczny. Gdyby zawartość tlenu w atmosferze ziemskiej różniła się co najmniej o dziesięć procent od obecnej jego koncentracji, życie biologiczne miałoby nie lada problemy. Gdyby zawartość ta spadła do 19-18,0% , nie byłoby możliwe oddychanie bez wspomagania aparatami tlenowymi. Z kolei gdyby podniosła się ona do wartości 23-24%, następowałby np. samozapłon suchych materiałów typu papier, włosy na głowie, suche trawy (siano), a nawet dojrzałe łany zboża na polach. Zatem tlen jest potrzebny, ale jest on życiodajny tylko w dosyć ściśle określonych granicach. Poza nimi jego rola jest destrukcyjna. Dotyczy to w zasadzie wszystkich składników atmosfery ziemskiej. Ale nie mniej ważny jest ozon, który chroni komórki życiowe przed promieniowaniem ultrafioletowym, mającym właściwości sterylizacji życia w komórkach. Ozon tworzy się np. jako efekt wyładowań elektrycznych w chmurach. Co oznacza, iż musi istnieć odpowiednia koncentracja pary wodnej w atmosferze umożliwiająca tworzenie się odpowiednio grubej warstwy chmur. A to z kolei jest funkcją ilości wody w systemie planetarnym i szybkością jej wymiany (parowanie), co z kolei jest związane z wysokością temperatury powierzchniowej na planecie. Jeśli planeta posiada oceany, ale jest zbyt gorąca, oceany zagotują się, woda przekształci się w parę wodną której cząsteczka dosyć szybko rozłoży się na wodór i tlen. W atmosferze pojawi się wówczas (okresowo) znaczna obfitość tlenu, a pomimo to nie będzie to przecież oznaką istnienia życia biologicznego. Tlen taki dosyć szybko zwiąże się z innymi pierwiastkami i nie utworzy ponownie cząsteczek wody. Z drugiej strony nawet prymitywne organizmy biologiczne na naszej planecie potrafią produkować tlen. To jest dosyć wiarygodny wskaźnik mówiący o prawdopodobieństwie życia biologicznego. Niestety, nic nam on nie powie na temat jakości takiego życia, a zwłaszcza szczebla jego rozwoju.
Tak więc, reasumując, o możliwości życia biologicznego na Ziemi decydują trzy wskaźniki, czyli obecność tlenu, pary wodnej i ozonu w atmosferze. Znalezienie ich w atmosferach innych planet uwiarygodniałoby możliwość istnienia na nich życia biologicznego. Pominę w tym miejscu rozważania wskazujące, że życie biologiczne możliwe jest wyłącznie w oparciu o związki węgla. To zupełnie odrębny temat, przyjmijmy tylko jako uzasadnienie, iż inne pierwiastki nie dysponują tak wielką elastycznością tworzenia związków chemicznych. Węgiel tworzy więcej związków niż wszystkie pozostałe pierwiastki Układu Okresowego Pierwiastków łącznie.
A dlaczego Ziemia? W cyklu dotyczącym Słońca, gwiazd i planet chciałem zwrócić uwagę, że podobnie jak nasza galaktyka nie jest zbyt typowym rodzajem galaktyki, a Słońce wcale nie należy do najbardziej typowych gwiazd, także Układ Słoneczny może stanowić bardzo nietypową konfigurację planetarnego układu wokół gwiazdy, zaś wśród tych planet układ Ziemia – Księżyc również odznacza się dosyć szczególnymi cechami, które wcale nie muszą być typowe.
Pośród ogromu kosmicznych obiektów i możliwych ich konfiguracji mogło się zdarzyć, iż wystąpiła bardzo specyficzna kombinacja różnorodnych i niekoniecznie typowych uwarunkowań, która umożliwiła powstanie i rozwój życia biologicznego, aż do jego inteligentnej formy. Musiały wypalić się pokolenia gwiazd, w których nuklearnych tyglach wytworzyły się ze spalania wodoru i helu żelazo, tlen, krzem, azot, siarka, węgiel, magnez i wszystkie pozostałe pierwiastki. Pierwiastki te musiały rozprzestrzenić się w obłokach międzygwiezdnych i międzyplanetarnych. Obłoki te musiały się skondensować aby utworzyć inne gwiazdy, a następnie wokół nich planety. Wszystko to wymagało czasu i przestrzeni. Obłoki takie mogły utrzymać się jedynie w bardzo rozległych strukturach związanych grawitacyjnie, jakimi są galaktyki.
Okazuje się zatem, że związek między życiem na jednej z planet krążących wokół jednej z gwiazd jest uzależniony od warunków początkowych umożliwiających ewolucje wszechświata, w tym zwłaszcza wartością stałej grawitacji. Gdyby jej wartość była wyższa, gwiazdy zbyt szybko by się wypaliły a wszechświat nader szybko skończyłby się w powszechnym kolapsie. Gdyby zaś ta wartość była niższa, materia nigdy nie sformowałaby się w gwiazdy i galaktyki, a zamiast tego rozpłynęłaby się coraz bardziej rozrzedzana w coraz większej przestrzeni. W obydwu przypadkach nie byłoby w takim świecie warunków na pojawienie się świadomych obserwatorów nieba. Skoro jednak pojawili się, to oznacza, że warunki jakie zaistniały w znanym nam wszechświecie, umożliwiły taki proces, przynajmniej lokalnie, chociaż oczywiście nie znamy rozmiarów stopnia rzadkości tego rodzaju lokalności. Niektóre, wskazane w niniejszym tekście, uwarunkowania przemawiają za tym, że może być to stopień znaczący, przynajmniej jeśli chodzi o naszą Galaktykę
Przypisy:
