Пятна рождаются в широтных поясах от 10° до 50°; в полярных зонах и вблизи экватора их нет. Сначала появляется своеобразная пора на поверхности, которая превращается в пятно увеличивающихся размеров, затем образуется хвостовое пятно и другие пятна группы.
При средней величине ≈15 тыс. км. пятна достигают размеров 200 тыс. км., а группа пятен – до 1500 млрд. км2 (апрель 1977 г.). Время существования пятен составляет от нескольких часов до нескольких месяцев. Достигая предельных размеров и максимального удаления друг от друга, пятна и их группы распадаются. Дольше всех сохраняется головное пятно. Отмечается тенденция образования биполярных групп пятен, т.е. пар больших пятен с противоположной полярностью магнитного поля в сопровождении множества менее крупных.
Пятна излучают поток в несколько раз меньше, чем остальная поверхность, однако это с избытком компенсируется незначительным повышением температуры Солнца (<50 К).
Область, непосредственно прилегающая к пятнам, характеризуется наличием факелов и образующихся из них гранул более ярких, чем в центральной части солнечной поверхности.
Более мощными проявлениями солнечной активности являются протуберанцы – спокойные или бурные плазменные образования, удерживаемые в короне до двух месяцев магнитными трубками пятен. Их высота достигает 30 тыс. км.
Самыми взрывными энергиями сопровождаются солнечные вспышки. Их мощность достигает 1023 вт, что всего в 4000 раз меньше полной светимости, а энергия составляет до двукратной от приходящей на Землю в течение года. При этом удельная (отнесенная к единице массы) мощность энерговыделения в сотни миллиардов раз выше, чем для Солнца в целом.
Внешние проявления вспышки: глубокая ионизация тяжелых элементов, образование электронов и протонов с энергией до 1011 ЭВ, коротковолновый спектр излучения хромосферы и короны предполагает наличие высоконапряженных электрических полей.
Это может реализоваться при срабатывании скоростных потоков проводящей среды – плазмы в поперечных магнитных полях, т.е. в солнечных магнитогидрогенераторах.
Отметим, что преимущественная часть работы по ускорению плазмы производится световым давлением на тяжелые элементы, которое только в пределах хромосферы может произвести разгон среды до десятков километров в секунду.
Повышенная, по сравнению с долгосрочным средним уровнем солнечная активность, оборачивается ее закономерным спадом, как правило, более продолжительным. Восстановление сработавшего потенциала активности на глубине конвективной зоны около 75 тыс. км, производится преимущественно радиационным потоком с более низких уровней. Время прохождения тепловым потоком слоя в 30 тыс. км, составляет около 100 лет и увеличивается по мере углубления. Это является причиной проявления циклов активности Солнца с более длительными периодами.
По некоторым прогнозам, с 25-го цикла солнечной активности (после 2020 г.) может установиться период ее снижения подобный маундеровскому минимуму с числом пятен не выше 50 единиц. Уровень ниже 100 ед. является уже основанием для серьезных опасений за климат.
В целом климатическая система Земли характеризуется множеством весьма устойчивых циклов. Накладываясь друг на друга они дают весьма сложную картину. Для удобства анализа факторы влияния на климат могут быть сгруппированны.
Цикличность солнечной активности обсуждалась выше, и были выявлены циклы продолжительностью от 11 лет до сотен миллионов лет.
Количество солнечной энергии, приходящей на Землю, зависит от расстояния до Солнца. Оно максимально в перигелии (максимальное сближение) и почти на 7% ниже в афелии. Изменения энергии при параде планет составляет 4% для крайних положений Земли.
Условия на самой Земле и в атмосфере влияют на количество тепла, поглощаемое, зависящее от альбедо поверхности, и удерживаемое, зависящее от концентрации парниковых газов (метан, диоксид углерода, пары воды).
Стабильность температуры – залог сохранения жизни на Земле, что при определенных обстоятельствах может быть обеспечено соответствующим уровнем энергетики.
Подводя итог анализу эволюции Вселенной, следует отметить особую роль звездообразования в этом процессе.
Исходными «кирпичиками» для формирования космических объектов являются преимущественно 3 элементарных частицы: протон, нейтрон и электрон. Их абсолютная тождественность при исключительном масштабе тиражирования поражает, как и многообразие тел Вселенной, из них образованных.
Креативным фактором этого процесса является гравитация, концентрирующая охлажденную водородно-газовую смесь и разогревающая ее до температуры, инициирующей термоядерные реакции синтеза.
Массы формирующихся звезд могут различаться в сотни раз. Звезды, в недрах которых происходят термоядерные протон – протонные реакции превращения водорода в гелий, относятся к так называемой «главной последовательности» (ГП).
Минимальная масса для прохождения термоядерной реакции составляет около 10% от массы Солнца. По отношению к нашему светилу эти звезды излучают примерно в 1000 раз меньше энергии, а время их нахождения на ГП больше, чем у Солнца (примерно 100 млрд. лет) в 100 раз. Если масса звезды превышает массу Солнца в 10 раз, ее светимость превышает солнечную уже более, чем в 1000 раз при сокращении времени нахождения на ГП до 100 млн лет.
После выгорания водорода в звезде начинается последовательное выгорание гелия и синтезируемых более тяжелых элементов (углерод, азот, кислород и т.д.) остаток звезды превращается в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру.
Солнце – стабильная звезда, что не в последнюю очередь объясняется умеренным уровнем интенсивности тепловыделения, отнесенной к единице массы. Он ниже, чем у человека, примерно в 10000 раз и меньше, чем у дрожжевой клетки, в миллион раз.
2. Земля – космическая колыбель жизни.
2.1. Эволюция жизни на земле.
Зарождение жизни на Земле коренным образом изменило ход ее эволюции. К основным химическим элементам, которые принимали в этом активное «участие», относятся углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор.
Углерод по своей роли является универсальной основой жизни, поскольку обеспечивает образование соединений, на несколько порядков превышающее возможности других элементов. Углеродные соединения отличаются высокой прочностью внутримолекулярных связей, многообразием пространственных конфигураций и функциональных групп.
Кроме основных шести элементов, важная роль в придании органическим соединениям специфических функций принадлежит калию, натрию, кальцию, натрию, магнию, хлору и множеству микроэлементов; железу, цинку, меди, марганцу, кобальту и др.
Первоначальный хаос, из которого возникла жизнь, – не просто нагромождение молекул, а наличие потенциальных возможностей, дополняющих друг друга и подлежащих испытанию временем.
Накопление информации происходит одновременно с сокращением вариантов выбора при удачных шагах. Критерием предпочтительной направленности процессов объединения молекул является устойчивость и повышение вероятности самовоспроизведения. Успехом самоорганизации клеток на этом пути было бы крайне маловероятное событие: создание производства с наличием в структуре обязательных служб и цехов. При этом должны быть обеспечены материальное снабжение комплектующими, канализация – отвод лишних молекул и продуктов реакций, энергоснабжения, конструкторский отдел с чертежами изделия, главный технолог, осуществляющий выбор материалов их доставку к месту сборки, её очерёдность и контроль за соответствием образцу, а также защиту от внешних воздействий.
Природа сотворила это чудо, которое стало кирпичиком всего живого, а мы назвали ее клеткой.
У клетки имеются защита в форме наружной части оболочки – стенки, под которой располагается мембрана, обеспечивающая избирательное проникновение веществ из среды внутрь и вывод отходов. Клетка содержит следующие органеллы:
Митохондрия – энергетический отдел клетки.
Вполне возможно, что эта важная органелла клетки имеет свою историю, на некотором этапе вступившая с клеткой во взаимовыгодный симбиоз.
Аппарат Гольджи с функцией транспорта веществ и химической обработки поступающих клеточных продуктов.
Ядро – важнейшее образования в клетке, регулирующее ее жизнедеятельность. Именно ядро несет в себе генетическую (наследственную) информацию, хранимую в ДНК.В ядре непосредственно перед его делением происходит воспроизведение (репликация) ДНК.
РНК и особенно ДНК – нуклеиновые кислоты – хранители генетического кода, но собственно сохранение обеспечивается жизнедеятельностью клетки – микрозавода размерами в несколько микрон и массой такой незначительной, что в одном грамме содержится несколько миллиардов клеток.
Следует отметить высокую энергонапряженность процессов в клетке. Так, по параметру теплоотдачи на единицу массы клетка превосходит Солнце на несколько порядков (примерно в миллион раз). Перевес по отношению к крупным животным составляет около двух порядков.
Протекание процессов зарождения и жизнедеятельности клетки возможно в достаточно узком диапазоне температур и при наличии водного бульона, содержащего набор необходимых веществ. Здесь мы не рассматриваем специфические микроорганизмы, с которыми не связано возникновение жизни.
Предельная температура по фактору денатурацин белков (свертывание и потеря активности) составляет около 40 оС; оптимальная – примерно 27 оС; при низкой температуре активность снижается, но клетки не гибнут и восстанавливают жизнедеятельность при повышении температуры и наличии питательной среды.
Без воды жизнь не может существовать, поскольку она является не только неотъемлемым компонентом живого, но и в течение длительного времени была единственной средой обитания.
Вода является колыбелью жизни, что обеспечивается ее уникальным свойствами.
– Способность растворять соли, сахар, спирты и другие соединения, а так же связанная с этим возможность переносить вещества диффузией или в потоках,
– Большая теплоемкость не допускает опасного изменения температуры, обеспечивая относительное термостатирование;
– Высокая теплота испарение способствует эффективному охлаждению живых организмов, фотосинтезирующих растений при приемлемом уровне потери влаги,
– Значительная теплота затвердевания воды затрудняет образование кристаллов льда в живых организмах, что губительно для них;
– Высокий теплоизолирующие характеристики снега предохраняют корневую систему растений от гибели в зимний период;
– Максимальное среди всех жидкостей поверхностное натяжение обеспечивает возможность роста растений до больших высот, что определяет большую производительность по биомассе в том числе ценного делового строительного материала, относительную проходимость зарослей, возможность укрытия животных от хищников, работоспособность корневой системы растений в сухих почвах и т. д.;
– Вода – источник водорода в процессе фотосинтеза, реагент гидролиза;
– Защита первых микроорганизмов от губительного ультрафиолетового солнечного из лучения,
– Среда оплодотворения, распространения семян, микроорганизмов потоками моских и океанических течений
– Главный фактор продуктивности растительного мира и непременное условие существование всего живого.
Первые безъядерные клетки появились 3,2 – 3,8 млдр. лет назад. Их следы обнаружены в Гренландии, Северной Америке, Южной Африке. Очертание суши в то время существенно отличалась от современного, однако отмечаем удаленность этих регионов от тропиков и большую вероятность независимого зарождения первых микроорганизмов. К ним относятся бактерии и сине – зелёные водоросли, уже способные к фотосинтезу и производству кислорода, несколько позже появились клетки с ядром, содержащим ДНК и РНК, а вслед за ними – специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных.
Уже 2 млрд. лет назад концентрация кислорода достигает около 1% от современного уровня. Это знаменует переход от ферментации к дыханию в энергетическом обеспечении жизнедеятельности клеток с более, чем десятикратным преимуществом дыхания в интенсификации процессов. Своеобразные кислородные оазисы жизни были привязаны к зонам распространения фотосинтезирующих водорослей (мелководье, оптимальный температурный режим, насыщенность питанием). Период существования ферментации и дыхания был достаточно длительным, пока концентрация кислорода не выросла до нескольких процентов от современного содержания; около 500 млн. лет назад она достигла уже 10%. В это время суша была безжизненная, а вся жизнь была сосредоточена в воде. Следует указать на важное препятствие для ее развития на суше, связанное с высокой концентрацией в атмосфере аммиака. При взаимодействии с кислородом он превращается в нейтральный азот и воду. Потребное количество кислорода для этой реакции составляет около 6,6 х 10 15 т.
До этого аммиак был важнейшим питанием для образования белков, на долю которых приходится более половины сухой массы клеток.
Реально атмосфера Земли в интересующее нас время могла состоять из азота, метана, аммиака, сероводорода, кислорода, углекислого газа и аргона, причем сероводород и аммиак в присутствии кислорода должны были постоянно выгорать.
Выход жизни на сушу подготавливается в течении длительного времени. Этот процесс включал в себя геологическую, химическую эволюции, изменение атмосферы, обеспечение защиты живого от ультрафиолетового излучения, отработку механизмов фотосинтеза.
Две основные ветви живого мира: растения и животные развиваются в глубоком симбиозе. Растения обеспечиваю животным пищу и свободный кислород, а животные снабжают растения углекислотой и культивируют почву для наземной растительности. Для своего развития растения дополнительно нуждаются в свете, влаге, тепле, наборе элементов с обязательным присутствием хлора.
Только растения, стоящие в основании пищевой пирамиды, могут обеспечивать выход и постоянную прописку животным на суше.
Как ни парадоксально, но именно неподвижные растения опережают животных в десантировании на сушу. В этом процессе реализовался принцип относительности движения. Раньше всего растения появлялись в болотистых местах, заливаемых водой во время приливов, но примерно 440 млн. лет назад происходят регрессии моря с суши, вызванные активными тектоническими подвижками земной коры с образованием горных систем. В дальнейшем, включая каменноугольный период (~285 млн. лет назад), происходят многократные наступления (трансгрессии) и отступления моря на сушу. Были созданы чередующиеся по обводнению – осушению условия тренинга как для животных, так и для растений, что предопределило последующий «взрыв» жизни на Земле. Существенная роль в разогреве недр и перестройке внутренней структуры планеты принадлежит радиоактивным элементам (урану, торию, калию).
Около 420 млн. лет назад появились ракообразные (ракоскорпионы длиной до 3м), первые настоящие рыбы, среди растений преобладают синезеленые водоросли и грибы, на суше развиваются псилофиты с зачатками корневой системы. Примерно 350 млн. лет назад их сменили плауны, папоротники, появляются первые семенные растения, уже приспосабливаются к земной жизни земноводные животные – четвероногие амфибии – потомки кистеперых рыб.
Каменноугольная эпоха (340 – 285 млн. лет назад) характеризуется благоприятными условиями для бурного развития растительности, что явилось причиной масштабного угленакопления, резкого снижения в атмосфере диоксида углерода и соответствующего роста концентрации кислорода, существенная часть которого была связана в процессах окисления минералов.
Эти явления заслуживают самого пристального внимания. Жизнь на Земле обязана своим существованием постоянному воспроизводству первичного органического вещества в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. При этом кислород выделяется как метаболит. В ходе прямой реакции вода под действием солнечного облучения расщепляется в присутствие хлорофилла с последующим образованием углеводородов. В свою очередь, в процессах усвоения животными с помощью микроорганизмов, а так же сгорания органического вещества образуются исходные продукты: вода и диоксид углерода.
Таким образом, фотосинтез являются принципиально обратимым процессом. Временная задержка обратной реакции (отсроченность) сберегает кислород в атмосфере и обеспечивает дыхание живых организмов, которое сводится к окислению органических веществ с производством необходимой для жизнедеятельности энергии.
Наличие свободного кислорода объясняется появлением некоторого барьера для реакций окисления. Это может быть: изоляция органики большими слоями воды или грунта, устойчивые для переработки микроорганизмами структуры, низкотемпературные условия и т.д.
Земная кора содержит около 2х1016 т. органического углерода в рассеянном состоянии; концентрированные скопления оцениваются в 200 млрд. тонн нефти; в 250 млрд. тонн газа, в 1013 тонн угля.
Для окисления приведённой массы углерода потребовалось бы около 5,3 х 1016 тонн кислорода, что почти в 45 раз больше его содержания в атмосфере Земли (~ 1,18 х 1015 тонн). Основная часть (почти 98 %) кислорода должна была нейтрализована в процессах окисления минералов, раствориться в воде, чтобы осталась его концентрация на оптимальном для жизни уровне (~21% объемных). Рост содержания кислорода до 25% уже неприемлем из-за угрозы возгорания растительности, замедления производства органики при фотосинтезе (О2 является его ингибитором); снижение концентрации кислорода привело бы к изменению дыхательного процесса.
В связи с этим стабилизацию концентрации кислорода на уровне оптимальном для жизни под воздействием многих факторов следует рассматривать как уникальное событие. Постоянство содержание кислорода в течение длительного времени должно быть в центре внимания цивилизации так же, как и концентрация углекислоты. Это обстоятельство следует так же учитывать при анализе возможности возникновения органической жизни на других планетах. Помимо обеспечения приемлемых температурных условий в достаточно узком диапазоне и в течение длительного времени, важнейшими атрибутивными факторами являются: