Наша уникальная Солнечная система

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАША УНИКАЛЬНАЯ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

В.В. Шевченко

Введение

Парадокс современной астрономии состоит в удивительно низком уровне знаний о нашем собственном доме - Солнечной системе. Астрономия в рамках известных физических законов способна построить близкие к реальности модели рождения, жизни и смерти небесных объектов, размеры, массы, энергетическая отдача и удаленность которых громадны по сравнению с реалиями нашего повседневного опыта. И в то же время, нет надежной модели происхождения и формирования планет и спутников Солнечной системы, неизвестно, как образуются и откуда появляются кометы, и неясно, содержат ли астероиды первичное вещество или являются осколками однажды уже сформировавшихся планетных тел.

Согласно одной из последних оценок, возраст Солнца составляет 4,49 миллиарда лет. Другие оценки времени существования Солнечной системы дают значения от 4,6 до 5 миллиардов лет. Самые древние горные породы Земли, которые, однако, являются вторичными образованиями, существуют около 3,9 миллиарда лет. Эти значения определены по накоплению в минералах продуктов распада радиоактивных элементов.

Радиометрический возраст наиболее древнего вещества Солнечной системы, из которого состоят падающие на Землю метеориты, достигает в среднем 4,6 млрд. лет. Примерно тот же возраст имеют и наиболее древние породы Луны, доставленные на Землю космическими аппаратами и экспедициями.

В течении периода, равного 4/5 предположительного времени существования Солнечной системы, на Земле существуют одноклеточные живые организмы. История многоклеточных занимает примерно 1/7 часть истории Земли. Существование человека - Homo sapiens - укладывается в 1/10000 часть времени, прошедшего с момента образования планет. И всего лишь около 1/1000000 этого времени занимает вся история астрономических наблюдений и осмысливания их результатов.

Объекты, входящие в Солнечную систему

Центральное тело нашей планетной системы - Солнце - желтый карлик, сосредоточило в себе 99,866% всей массы Солнечной системы. Оставшиеся 0,134% вещества представлены девятью большими планетами и несколькими десятками их спутников (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами - астероидами (примерно 100 тысяч), кометами (около 10¹¹ объектов), огромным количеством мелких фрагментов - метеороидов и космической пылью. Механически эти объекты объединены в общую систему силой притяжения превосходящей массы Солнца. Ряд зависимостей показывают принадлежность различных по величине и физико-химическим свойствам тел к единому семейству. Средняя плотность объектов Солнечной системы изменяется в пределах от 0,5 г/см³ для ядер комет до 7,7 г/см³ для металлических астероидов и метеоритов.

Для наглядности все тела Солнечной системы, включая и Солнце, можно разместить на диаграмме логарифмической зависимости массы и размеров (рис. 1).

Рис. 1 Объекты Солнечной системы, представленные на диаграмме логарифмической зависимости массы и размеров космических тел

Самая крупная из планет - Юпитер отличается от Солнца на порядок по размерам и на три порядка по массе. Такое соотношение прямо указывает на одинаковую плотность вещества для обоих тел и близкий химический состав. Действительно, средняя плотность Юпитера составляет 1,32 г/см³, что очень близко к средней плотности солнечного вещества (1,41 г/см³). Основными элементами, определяющими химический состав обоих объектов, являются водород и гелий. Ближайший сосед Юпитера на диаграмме - Сатурн - по размерам почти не отличается от него, но меньшая плотность вещества планеты (0,686 г/см³) определяет и несколько меньшее значение массы. Следующие два гиганта - Уран и Нептун (с массой около 10²⁹ г) занимают на рассматриваемой диаграмме одно и то же положение, мало отличаясь по своим свойствам - средней плотности (1,28 и 1,64 г/см³ соответственно) и химическому составу. Все четыре планеты традиционно выделяются в группу планет-гигантов, отличительной особенностью которой являются не только значительные размеры и масса, но также и низкая средняя плотность, характерная для газового состава.

Земля и Венера занимают на диаграмме близкие позиции, почти не отличаясь по размерам, массе и средней плотности (5,52 и 5,24 г/см³ соответственно). Марс и Меркурий замыкают группу планет, которые по общепринятой классификации относятся к объектам земного типа.

Однако, перечень "больших" планет Солнечной системы на этом не исчерпывается. Обратившись к диаграмме на рис. 1, мы увидим еще одну планету, находящуюся в области спутников планет. Этот необычный объект - Плутон - в момент своего открытия в 1930 г. занимал наиболее удаленное от Солнца положение, соответствующее месту девятой планеты Солнечной системы. Но орбита Плутона, как оказалось, обладает значительным эксцентриситетом и в 1969 г. он пересек орбиту Нептуна, превратившись в восьмую по удаленности от Солнца планету. В этом статусе Плутон будет пребывать до 2009 г. А первый после своего открытия полный оборот вокруг Солнца Плутон завершит лишь в 2178 году. Иногда возникает вопрос, является ли Плутон самостоятельной планетой. По размерам это тело меньше, чем спутник Земли - Луна. Между тем, Плутон обладает собственным спутником, обнаруженным в 1978 г. и названным Хароном. Соотношение масс планеты и спутника в системе Плутон-Харон очень необычно - приблизительно 5:1. Эту пару тел вполне обоснованно можно назвать "двойной планетой", компоненты которой обращаются вокруг общего барицентра. В Солнечной системе есть лишь еще одно подобное исключение - Земля и Луна. Но при этом естественный спутник нашей планеты по массе в 80 раз меньше центрального тела.

Харон вращается по орбите, наклон которой к плоскости орбиты Плутона является также весьма нетипичным и составляет 118⁰. Средний радиус орбиты Харона необычно мал - менее 19700 км. Ближе к своей планете (Марсу) находится лишь еще один спутник в Солнечной системе - Фобос. Однако соотношение масс Марса и Фобоса имеет совсем другой порядок: масса спутника составляет лишь 1,5х10^-8 массы планеты. Остается добавить, что наклонение орбиты самого Плутона к плоскости эклиптики также нетипично - более 17⁰. Остальные планеты, за исключением Меркурия (i = 7⁰), вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости, уклоняясь от нее не более, чем на 2⁰-3⁰.

На рис. 2 приведено изображение Плутона и Харона, полученное в феврале 1994 г. Космическим телескопом им. Хаббла во время удаления двух тел друг от друга на расстояние 19640 км.

Рис. 2 Изображение системы Плутон-Харон, полученное Космическим телескопом им. Хаббла

Возвращаясь к рис. 1, следует указать, что выделенные на диаграмме группы планет располагаются на различном расстоянии от Солнца. Планеты земной группы составляют внутреннюю часть Солнечной системы. Планеты-гиганты образуют ее внешнюю часть. Промежуточное положение занимает пояс астероидов, в котором сосредоточена большая часть малых планет. Распределение планетных расстояний от Солнца можно приблизительно описать известным степенным законом Тициуса-Боде, выведенным в конце XVIII века, где показателем степени служит порядковый номер планеты. Эта зависимость не имеет какого-либо физического содержания и для лучшего согласования с наблюдаемым распределением планетных расстояний приходится "подгонять" порядковые номера планет. Например, в некоторых видах формулы Тициуса-Боде для Меркурия показатель степени (номер планеты) принимался равным минус бесконечности, для Венеры - равным нулю, для Земли - единице и т.д. Несмотря на такие ухищрения, при больших расстояниях от Солнца закон оказывался неприменимым и отклонения вычисленных размеров орбит Нептуна и Плутона от наблюдаемых очень велики. Несомненно положительным результатом использования эмпирических соотношений, вытекавших из закона Тициуса-Боде, стало обнаружение Цереры и других малых планет, образующих пояс астероидов на расстоянии, где согласно закону должна была располагаться следующая за Землей большая планета. Сравнение "предвычисляемых" по закону Тициуса-Боде и действительных расстояний планет от Солнца показано на рис. 3. Расстояния представлены в астрономических единицах (1 а.е. - среднее расстояние Земли от Солнца, равное 149,6 млн. км). Кривая 1 показывает результаты расчетов по формуле Тициуса-Боде.

Рис. 3 Сравнение вычисляемых и наблюдаемых расстояний планет от Солнца: 1 - формуле Тициуса-Боде, 2 - по формуле Фесенкова

В конце 50-х годов XX века В.Г.Фесенков предложил следующую зависимость между расстояниями планет от Солнца и их относительной массой:

L_n = L_n-1 [1 + K (M_n/M_s)^1/3],

где M_n - масса планеты, M_s - масса Солнца, K - постоянный коэффициент. Результаты вычислений по формуле Фесенкова представлены кривой 2 на рис. 3. Эта же зависимость успешно воспроизводит распределение расстояний в системах спутников планет-гигантов.

В последовательности на рис. 1 спутники планет расположились довольно компактной группой, несмотря на разную природу образующего их вещества. За исключением нашей Луны, средняя плотность которой 3,34 г/см³, и спутников Юпитера Ио и Европа (плотность которых 3,57 и 2,97 г/см³, соответственно), большинство спутников планет-гигантов состоят из льда с различными по массе примесями силикатных пород и характеризуются плотностью 1 - 2 г/см³. По соотношению масс и размеров с группой спутников планет тесно смыкаются наиболее крупные из астероидов. Резким исключением выглядят спутники Марса, массы и размеры которых более соответствуют астероидам, чем типичным спутникам больших планет. Возможно, Фобос и Деймос были захвачены Марсом из пояса астероидов.

Конечно, на диаграмме показаны не все, а только наиболее типичные малые тела, соответствующие параметры которых к настоящему времени известны. Подобной избирательностью следует объяснить разрыв между наименьшими астероидами и наиболее крупными метеоритами, которого в действительности, по-видимому, не существует.

Весьма примечательно, что кометы, имеющие аномально низкую плотность вещества ядер (около 0,6 г/см³), тесно примыкают к общей последовательности, дополняя ее, несмотря на уникальную природу этих тел и полную неясность их происхождения. На диаграмме показаны лишь некоторые из комет, наблюдавшихся во внутренней части Солнечной системы. Однако, исторически короткий период наших наблюдений за небесными явлениями не позволяет говорить, что эти данные полностью исчерпывают сведения о существующих в природе кометных телах. Велика вероятность того, что на окраинах Солнечной системы находится резервуар гигантских по размерам и массам комет, которые могли посещать окрестности Солнца задолго до нашего появления. Вполне возможно, что именно об этом говорят некоторые загадочные образования на поверхности таких безатмосферных тел, как Луна или Меркурий, способных сохранять следы самых древних событий в истории планет.

Наблюдения нескольких последних лет обнаружили более 30 объектов, названных транснептуновыми. Размеры этих тел, предположительно имеющих сходство с ядрами комет, превосходят 100 км. Согласно общим оценкам, вытекающим из подобных результатов, на расстоянии между 30 и 50 а.е. от Солнца находится около 70000 тел с размерами от 100 до 400 км.

На последовательности, представленной на рис. 1, эти гипотетические объекты заняли бы промежуток между наиболее крупными из известных комет и ледяными спутниками планет-гигантов, располагаясь несколько выше астероидов аналогичного размера.

Движение тел Солнечной системы

Соотношение расстояний и периодов обращения планет вокруг Солнца определяется известным третьем законом Кеплера, согласно которому квадраты периодов пропорциональны кубам больших полуосей относительных орбит. Рис. 4 иллюстрирует эту основную закономерность в строении Солнечной системы.

Рис. 4 Соотношение расстояний и периодов обращения планет (третий закон Кеплера)

Другой фундаментальной особенностью строения Солнечной системы является то, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, совпадающем с направлением осевого вращения Солнца, и в том же направлении они обращаются вокруг своей оси. Исключение составляют Венера, Уран и Плутон, осевое вращение которых противоположно солнечному. Существует корреляция между массой планеты и скоростью осевого вращения. В качестве примеров достаточно упомянуть Меркурий, сутки которого составляют около 59 земных суток, и Юпитер, который успевает сделать полный оборот вокруг своей оси менее, чем за 10 часов. Примерно с тем же периодом обращается вокруг своей оси Сатурн. Сутки Урана и Нептуна составляют соответственно 17 и 16 часов. А период осевого вращения Плутона равен примерно 6 земным суткам. Необычно вращение Венеры. При массе, примерно равной массе Земли, Венера вращается вокруг своей оси с периодом в 243 суток. В сочетании с продолжительностью периода обращения Венеры вокруг Солнца (225 суток) вращение этой планеты оказывается ретроградным, то есть противоположным по направлению вращению Солнца и большинства планет.

Принципиально важным для понимания физических процессов в Солнечной системе является резкая диспропорция в распределении массы и момента количества движения между Солнцем и планетами. Хотя основная масса вещества Солнечной системы сосредоточена в самом Солнце, 98% момента количества движения (произведения массы на скорость и радиус вращения) приходится на долю планет. При этом обнаруживается, что объединенные вместе планеты земной группы, а также объединенные в одну группу астероиды и каждая из планет-гигантов подчиняются единой зависимости момента количества движения J (гхсм²/с) от массы М (г). Эту зависимость, показанную на рис. 5, можно представить выражением:

J = 7,6 M^4/5.

Рис. 5 Соотношение момента количества движения и массы отдельных планет или группы тел Солнечной системы

Исключением является Солнце, собственный период вращения которого не соответствует общей тенденции и при огромной массе составляет более 25 суток. Другим исключением является опять-таки экзотическая пара Плутон-Харон, происхождение и само существование которой остаются загадочными. Место группы кометных тел определилось значениями совокупных характеристик, принятых на основе известных в настоящее время данных. То, что положение этой группы не согласуется с общей зависимостью, говорит прежде всего о несовершенстве наших знаний о кометах и об их истинном месте в Солнечной системе.

Место мелких осколков вещества - метеоритов и космической пыли на диаграмме (рис. 5) определить сложно, поскольку эти объекты заполняют всю Солнечную систему. Вторгаясь в земную атмосферу, мелкие частицы порождают такие явления, как отдельные метеоры и целые метеорные ливни. Концентрация пылевых частиц около Земли ответственна за явление зодиакального света - свечения неба вдоль направления, соответствующего проекции плоскости эклиптики на небесную сферу. В окрестностях планет-гигантов мелкие фрагменты вещества и космическая пыль существуют в форме колец. Наиболее известны кольца Сатурна, обнаруженные в XVII веке при первых наблюдениях с простейшими телескопами. Уже в наше время были открыты аналогичные по природе, хотя и не столь массивные, кольца Юпитера, Урана и Нептуна.

На рис. 1 приведены результаты лишь отдельных оценок параметров метеоритов и космической пыли, показывающие общую тенденцию. В действительности эта область должна быть заполнена бесчисленным количеством точек, которые образуют непрерывную последовательность.

Если значения моментов количества движения в Солнечной системе соотнести с массой, т.е. получить удельное значение J, получится, что эта величина для планет в среднем в 35000 раз больше, чем для Солнца. Исчерпывающего объяснения данному факту еще не получено. Возможно, что ответственным за перенос момента количества движения может быть магнитное поле Солнца, пронизывающее всю нашу планетную систему.

Химический состав тел Солнечной системы

Вещество, из которых сложены тела Солнечной системы, можно условно разделить на три группы. Во-первых, это горные породы, состоящие из различных минералов, которые нам хорошо известны на Земле. Современные знания позволяют прогнозировать характер глубинных пород, из которых состоят земные недра. Анализ доступного в настоящее время внеземного вещества показал его общее подобие веществу земному по химическому и минералогическому составу. Основными минералообразующими элементами во всех случаях являются кремний, железо, алюминий, магний и титан в окисленном состоянии, то есть при значительном включении кислорода в химические соединения. Средняя температура плавления этих материалов достигает около 2000 К. Условно эту группу можно назвать "земным веществом".

Углерод, азот, кислород и в меньшем количестве водород, входящий в некоторые химические соединения, составляют распространенную группу планетных летучих веществ. В виде газов эти элементы образуют атмосферы отдельных планет или крупных спутников. Но чаще летучие компоненты вещества Солнечной системы существуют при температурах ниже 273 К в твердом состоянии, то есть в виде льда. Поэтому эту группу назовем условно "льдами".

Наконец, такие газы, как водород и гелий, наиболее обильно встречающиеся на Солнце, с небольшими примесями неона, аргона и некоторых других элементов отнесем к группе "солнечного вещества". Температура кипения подобной смеси составляет около 15 К.

Гистограмма на рис. 6 примерно показывает относительное содержание перечисленных групп вещества в химическом составе основных тел Солнечной системы. Группа 1 ("земное вещество") на 99% и более образует планеты земного типа, астероиды и отдельные спутники (например, Луну). Большая часть спутников, относящихся к системам планет-гигантов состоят в основном из "льдов" (группа 2) с некоторой примесью "земного вещества". Те же составляющие, но в другой пропорции, характерны для комет. Юпитер и Сатурн в основном состоят из "солнечного вещества (группа 3), с примесями "льдов" и "земного вещества". Для Урана и Нептуна основным веществом, их образующих, являются "льды".

Рис. 6 Относительное содержание различных типов вещества в телах Солнечной системы

Наблюдаемое в настоящее время распределение химического состава с учетом характерных значений критических температур позволяет сделать заключение о первоначальном распределении в протопланетном околосолнечном облаке, которое определяло условия формирования различных тел Солнечной системы.

солнечный система планета солнце

Ранние стадии развития планет

Для первых сотен миллионов лет в истории Солнечной системы решающим фактором формирования планет и спутников была астероидная и кометная бомбардировка. Достаточно сказать, что современное "лежачее" положение Урана, ось вращения которого наклонена к эклиптике на 98⁰, по-видимому, является результатом столкновения с достаточно крупным телом.

В этот период на Земле и других планетах земного типа формировалась первичная кора. В настоящее время на нашей планете не сохранилось каких-либо следов той эпохи. Вместе с тем, на малых телах, остановившихся на ранних стадиях своего развития, можно обнаружить хорошо отождествляемые признаки первичной коры, которые, например, наблюдаются на Луне, Меркурии и, частично, на Марсе.

На рис. 7 дана схема возраста и продолжительности в млрд. лет глобальных вулканических и тектонических процессов на поверхности Луны и планет земной группы, характеризующих историю эволюции этих тел. Для Земли и Луны временные границы эпох определены по измеренным значениям возраста образцов пород, относящихся к соответствующим периодам. Возраст соответствующих формаций на Марсе определен по кратерной статистике. При этом рассматривались только глобальные образования. Такие отдельные формы рельефа, как например, гора Олимп имеют более молодой возраст - несколько сотен миллионов лет. Шкала абсолютного возраста для планетарных формаций на Меркурии получена также по кратерной статистике в предположении соответствия метеоритного потока на поверхность Меркурия и на поверхность Луны в аналогичные геологические эпохи. Стратиграфические системы (т.е. описание последовательности залегания геологических образований разного возраста) поверхностных структур Венеры, и шкала абсолютного возраста для них носят предварительный характер. Однако, по оценке специалистов они адекватно отражают общий характер геологической истории планеты.

Рис. 7 Возраст и продолжительность глобальных процессов преобразования поверхностей планет земной группы и Луны

Следы наиболее ранних процессов планетной эволюции, протекавших более 4,0 млрд. лет назад, проявляются в древних формах рельефа на Меркурии, Луне и Марсе. По современным представлениям механизм переноса тепла в недрах Луны, Меркурия и Марса в основном происходил в виде конвекции. Наглядным примером является многофазное формирование лунной коры, при котором более поздние слои выплавлялись из мантии в виде глобальных лавовых потоков, перекрывая уже существовавшие формы рельефа. При весьма близком внешнем сходстве Луны и Меркурия (сильно кратерированная поверхность, лавовые поля и т.п.), должно существовать принципиальное отличие в глобальных процессах, поскольку установлено, что по внутреннему строению Меркурий отличается от Луны огромным ядром. Радиус ядра Меркурия составляет около 75% от радиуса планеты, что соответствует 42% объема (у Луны ядро занимает только 4% объема). В сочетании с высокой средней плотностью Меркурия (5,3 г/см³ ) это отличие пока ждет своего объяснения.

Некоторые геологические структуры на Марсе носят очевидные признаки длительного конвективного кругооборота в недрах планеты. Из трех небольших по размерам тел земной группы Марс обладал наиболее длительным периодом глобальной эндогенной (внутренней) активности. Если подобные процессы на Меркурии и Луне прекратились на рубеже 3,0 - 2,5 млрд. лет назад, на Марсе они продолжались еще около одного миллиарда лет (см. рис. 7).

Современная поверхность Венеры имеет очень молодой возраст - всего лишь несколько сотен миллионов лет. Следы более древних формаций практически не сохранились (95% этих образований уничтожены поздними наслоениями). Современный процесс потери эндогенного тепла на Венере, по-видимому, подобен лунному, то есть происходит с использованием теплопроводности пород мантии и коры. Но природа более раннего механизма этих процессов остается неизвестной. Возраст поверхности Венеры ближе всего к возрасту земной поверхности. Однако, обладая иной тепловой историей Венера сформировала принципиально другую среду - значительно отличающийся от земного химический состав атмосферы, высокие значения давления и температуры у поверхности.

Процессы формирования вторичной планетной коры можно проследить по их следам на Луне, где вторичная кора образовалась в результате плавления пород верхней и средней мантии. Несмотря на то, что по объему вторичная кора на Луне составляет лишь 1% от общего объема современной лунной коры, эта структура хорошо выражена в глобальных формах рельефа.

Возвышенные плато на Марсе по своим размерам близки к земным континентам и возвышаются на 4 - 6 км над средним уровнем (средним радиусом) планеты. Если бы на Марсе существовала гидросфера подобная океанам Земли, эти области оказались бы выше уровня моря, превратившись в материки. Поскольку появление возвышенных плато на Марсе является следствием длительного конвективного кругооборота в его недрах, не исключено, что этот же процесс мог развиваться и в недрах Земли на определенной стадии ее развития.

О процессах формирования третичной планетной коры, которой является континентальная кора Земли, дают понятия некоторые структуры рельефа, существующие на Венере. Остается пока неизвестным, как возникла на Земле "тектоника плит", существующая в настоящее время. Согласно этой концепции твердая оболочка планетного тела представляется как система взаимодействующих между собой отдельных жестких плит. Именно на границах плит наиболее часто происходят события, относящиеся к сейсмической, тектонической и вулканической активности. На той части Меркурия, которая известна в настоящее время, присутствуют признаки некоторого глобального тектонического процесса. Дальнейшее изучение покажет, насколько идентичными могут оказаться тектонические процессы, отразившиеся в застывших формах Меркурия, и явления глобальной тектоники, имевшие место в геологической истории Земли.

Ударные процессы в Солнечной системе

Уникальное образование, относящееся к эпохе завершения процесса дифференциации планетных тел (разделения недр на ядро, мантию и кору), обнаружено на обратной стороне Луны. Речь идет о гигантской многокольцевой впадине (или бассейне) вблизи южного полюса. Диаметр внешнего кольца этой структуры достигает 2500 км, что в 1,4 раза больше лунного радиуса. По данным измерений высот на снимках, полученных автоматическими станциями серии "Зонд" (1968 - 1970 гг.), глубина впадины достигает 10 - 12 км относительно окружающего материка. По результатам лазерной альтиметрии с борта спутника Луны "Клементина" (1994 г.) средняя разница высот между гребнем внешнего вала и дном этой многокольцевой структуры превышает 13 км.

На рис. 8 приведен снимок, полученный космическим аппаратом "Галилео" во время пролета мимо Луны. Вблизи западного лимба жирной линией показаны примерные границы впадины.

Рис. 8 Примерные границы гигантской впадины вблизи южного полюса Луны. Снимок получен с борта космического аппарата "Галилео"

Внутри кольца уместились такие довольно крупные образования более позднего происхождения как кратеры Аполлон (диаметр 491 км), Шредингер (320 км), Планк (355 км) и даже небольшое Море Мечты. Судя по количеству мелких кратеров на единицу площади внутри впадины, время его образования относится к раннему периоду лунной истории. Оценки этого возраста сходятся на периоде между 4,3 и 3,9 миллиарда лет.

Спектрозональные изображения, полученные на основе снимков, сделанных космическими аппаратами "Галилео" и "Клементина", обнаружили внутри впадины область мафических (темных) глубинных пород диаметром около 1400 км. Поверхностные породы в этой области выделяются аномально низким для материковых районов значением отношения отражательной способности на 0,41мкм и 0,76мкм.

Обращает на себя внимание тот факт, что с этой депрессией совпадает протяженная отрицательная аномалия силы тяжести. Последнее обстоятельство крайне необычно, поскольку круговые депрессии на поверхности видимого полушария Луны, заполненные мафическими породами (круговые моря), наоборот совпадают с областями, имеющими крупные положительные гравитационные аномалии. Область гигантской депрессии окружена кольцом пород, имеющих иные спектральные характеристики. По фотометрическим измерениям на снимках серии "Зонд" эта область характеризуется большей зрелостью грунта, т.е. высокой степенью переработки покровного вещества в результате микрометеоритной бомбардировки. Зрелость лунного грунта тесно коррелирует с его экспозиционным возрастом (временем пребывания лунного вещества в самом верхнем слое, открытым воздействию окружающего космического пространства). Возможно, рассматриваемая область соответствует выходу на поверхность слоя пород, располагавшегося между глубинным мафическим материалом и верхним слоем полевошпатового материала типичных лунных материков.

Обобщая все известные теперь сведения об одном из самых крупных и самых древних образований Луны, можно предположить, что мы видим след гигантского столкновения молодой Луны с довольно крупным телом. Событие столь грандиозного масштаба должно было в буквальном смысле слова потрясти весь лунный шар: ведь размеры оставшейся после удара впадины превышают лунный радиус. Даже если глубина такого кратера составляла существенно меньше одной десятой его диаметра, удар должен был проникнуть до границы коры и мантии. В этом случае объяснимо появление внутри впадины значительного количества мафических пород, составляющих верхнюю мантию Луны, и обнажение вышележащих слоев литосферы.

Вызывает удивление и другое - "запас прочности" молодой Луны, благополучно пережившей этот почти смертельный удар и сумевшей уцелеть, не развалившись на множество осколков. Подобные следы гигантских ударов (меньших масштабов) были обнаружены и на поверхности некоторых спутников планет-гигантов. Разнообразные исследования наиболее близкого к Земле небесного тела подтвердили существование следа древнейшей катастрофы на поверхности нашей соседки - Луны. Оценки энергии взрыва, необходимой для образования столь крупной ударной структуры, показывают, что упавшее космическое тело могло достигать в поперечнике около 200 км.

Некоторое время назад была высказана и получила широкое распространение интересная гипотеза об ударном происхождении самой Луны, когда тело величиной с Марс косым ударом вырвало "кусок" Земли, раздробившийся на множество осколков, из которых путем последующей аккреции и возник единственный, необычно крупный спутник нашей планеты. Возможно, что бассейн в южной части обратной стороны Луны появился, когда один из последних осколков-спутников Земли перестал существовать, столкнувшись с Луной.

Лед на Луне

Безводная среда Луны является фактом достаточно очевидным и подтверждаемым не только косвенными, но и прямыми исследованиями, включая лабораторный анализ многих образцов лунного вещества, доставленных на Землю. В то же время, радиолокационные измерения, проведенные в апреле 1994 г. с борта аппарата "Клементина", находившегося на окололунной орбите, показали, что в постоянно затененной области на южном полюсе Луны присутствует поверхностный материал, радиолокационные характеристики которого соответствуют параметрам льда. Площадь области с необычными свойствами составляет 6361 км². Результаты этих исследований стали научной сенсацией.

Сохранение льда в лунных условиях можно объяснить только тем, что исследованная область располагается в зоне постоянного затенения, где температура поверхности не может быть выше 90К. Но откуда первоначально появился лед на безводной, лишенной атмосферы Луне? Одним из гипотетических источников может быть дегазация лунных недр. Однако, все сведения о подобных процессах на Луне в основном ограничиваются очень скудными фактами, общими предположениями и догадками. Более реально рассмотреть вариант внешнего, экзогенного происхождения лунного льда.

В различных областях лунного шара можно наблюдать альбедные аномалии, так называемые диффузные структуры, которые абсолютно не выражены в рельефе и оставляют странное впечатление рисунка, образованного окраской самого поверхностного слоя. Странны для Луны и контуры этих структур. На поверхности тела, никогда не имевшего заметной газовой оболочки, остались яркие следы в виде петель, завитков и т.п. Не случайно в английском языке для обозначения диффузных образований был принят термин "swirls", что значит "завихрения", "клубы дыма".

На рис. 9 приведен фрагмент снимка участка Моря Мечты на обратной стороне Луны с крупными диффузными образованиями.

Рис. 9 Альбедные аномалии диффузного характера в Море Мечты на обратной стороне Луны

Среди разных моделей происхождения подобных альбедных аномалий наиболее убедительной кажется версия контакта лунной поверхности с газо-пылевой комой пролетающих или падающих на Луну комет. В результате такого контакта происходит уплотнение верхнего слоя лунного грунта, что приводит к увеличению его отражательной способности. В этом случае причудливый рисунок на лунной поверхности могут оставить неоднородности в плотных областях комы и выбросы газовых струй из ядра (джеты). По-видимому, в большинстве случаев кометы, столкнувшиеся с Луной, первоначально пролетают вблизи Земли, что приводит к разрушению их ядер на множество фрагментов. Тогда на лунную поверхность падает не монолитное тело (пусть даже малой плотности), а только облако мелких осколков, окруженное газовой оболочкой. Чтобы уплотнить лунный поверхностный слой в достаточной степени для образования альбедной аномалии с достаточно крупными размерами, падающая комета должна иметь соответствующие размеры ядра и комы и соответствующую скорость соударения. Решая обратную задачу по характеристикам конкретной диффузной структуры оценивают параметры упавшего кометного тела. Попытаемся оценить реальную массу льда, снега или инея, которая в виде распавшейся кометы падает на лунную поверхность.

Наиболее близко к южному полюсу расположена упомянутая выше диффузная структура в Море Мечты, общая площадь которой достигает 50155 км². Для того, чтобы возникла подобная альбедная аномалия, падающая комета должна была бы иметь размеры ядра около 200 км и скорость падения около 40 - 50 км/с, при скорости газо-пылевой эмиссии из ядра, равной 4,5х10^-5 г/см²с, и первоначальной плотности ядра 0,6 г/см³. Эти реальные для кометных тел параметры были определены в процессе исследования кометы Галлея космическими аппаратами "Вега" и "Джотто". Несмотря на то, что размеры ядра кометы Галлея существенно меньше (примерно 14 х 7,5 х 7,5 км), для моделирования общих процессов, происходящих в кометах, можно воспользоваться приведенными выше значениями.

Даже если размеры ядра гипотетической кометы будут вдвое меньше, на лунную поверхность обрушится 3,15х10²⁰ г кометного вещества, в котором доля льда, по-видимому, составит 2,5х10²⁰ г (80%). Энергия взрыва, соответствующая кинетической энергии падающего тела, будет равна приблизительно 10³³ эрг. Этой энергии достаточно, чтобы не только полностью испарить вещество кометного ядра, но и разрушить межмолекулярные связи. Вместе с тем, произойдет образование ударно-синтезированных газов, в числе которых будут и водяные пары.

Примем экстремальные условия ударного процесса, когда температура в эпицентре взрыва может достигать, например, 2000 К. Но даже и в этом случае тепловая скорость молекул воды в облаке пара, в который превратится кометный лед, не превысит 1,6 км/с. Эта величина меньше параболической скорости для Луны (2,38 км/с) и почти равна круговой скорости (1,68 км/с). Следовательно, значительная масса возникшего водяного пара будет растекаться по поверхности, обволакивая лунный шар. Возникнет временная лунная атмосфера с возможным давлением до десятых долей бара. Время естественной тепловой диссипации подобной атмосферы может составлять 3 - 4 земных дня на освещенном Солнцем полушарии Луны. Но на темной, ночной стороне Луны (или в затененных местах), где температура поверхности не превышает 100 К, тепловые скорости молекул Н₂О упадут до величины около 0,3 - 0,4 км/с, то есть не исключено образование на поверхности слоя водного льда. Конечно, с наступлением лунного дня этот лед полностью испарится. Однако, в постоянно затененных местах ледяной слой не только сохранится, но будет постоянно наращиваться за счет новых падений комет. По различным оценкам на лунную поверхность может осесть от 0,1 до 0,001 массы упавшей кометы, что соответствует примерно миллиметровому слою льда, сохранившегося в постоянно затененных местах.

Исходя из анализа диффузных структур, сохранившихся на лунной поверхности, можно говорить приблизительно о десяти падениях гигантских комет на Луну за последние 10 млн. лет. Но вечно затененная впадина на южном полюсе существует, возможно, около 4 млрд. лет. Поэтому, не удивительно, если обнаруженный на южном полюсе ледяной слой может иметь мощность на несколько порядков большую, чем та, что приведена выше.

Из анализа диффузных структур вытекает также вывод о посещении околоземного пространства роем необычных, гигантских комет, двигавшихся с большими скоростями. Большие размеры и высокая скорость характерны для "новых" комет, приходящих с окраин Солнечной системы, например, из Пояса Койпера - сравнительно недавно обнаруженного скопления кометоподобных транснептуновых тел на расстоянии от 30 до 50 а.е. от Солнца. В настоящее время открыто около 30 объектов, размеры которых превышают 100 км. По предварительным оценкам в Поясе Койпера могут находиться 10⁴ - 10⁵ гигантских комет с размерами ядер от 100 до 400 км.

Таким образом, не исключено, что неожиданно найденный лунный лед является веществом загадочных транснептуновых объектов, по странной прихоти совершивших путешествие через всю Солнечную систему.

Природа планет-гигантов

В противоположность застывшим мирам Луны или Меркурия облачные образования видимой поверхности газовых гигантов во внешней части Солнечной системы находятся в постоянном движении. Наиболее ярким примером подобных процессов может служить Юпитер. Обладая "солнечным" химическим составом, самая крупная планета Солнечной системы имеет массу в 70 - 80 раз меньше той, при которой небесное тело может стать звездой. Тем не менее, в недрах Юпитера происходят процессы с достаточно мощной энергетикой: тепловое излучение планеты, эквивалентное 4х10¹⁷ Вт, примерно в два раза превышает энергию, получаемую этой планетой от Солнца. Конвективные потоки, выносящие внутреннее тепло к поверхности, внешне проявляются в виде светлых зон и темных поясов. В области светлых зон отмечается повышенное давление, соответствующее восходящим потокам. Облака, образующие зоны, располагаются на более высоком уровне, а их светлая окраска объясняется повышенной концентрацией ярко-белых кристаллов аммиака. Располагающиеся ниже темные облака поясов состоят в основном из красно-коричневых кристаллов гидросульфида аммония и имеют более высокую температуру. Эти структуры представляют области нисходящих потоков. Зоны и пояса имеют разную скорость движения в направлении вращения Юпитера. Это явление выражается в существовании устойчивых зональных течений или ветров, постоянно дующих в одном направлении. Скорости в этой глобальной системе восточных и западных ветров достигают от 50 до 150 м/с. Рис. 10 представляет общий вид Юпитера.

Рис. 10 Видимая структура облачного слоя Юпитера. В южном полушарии (север вверху) вблизи терминатора выделяется Большое красное пятно. На той же широте (ближе к восточному лимбу) на фоне облачных образований Юпитера наблюдается изображение Ио. Снимок получен космическим аппаратом "Вояджер-1" с расстояния 28,4 млн. км

По-видимому, другим проявлением сильной конвективной активности недр Юпитера является магнитное поле, напряженность которого на порядок превосходит напряженность магнитного поля Земли. Планету окружает протяженная система радиационных поясов, являющихся источником наблюдаемого собственного радиоизлучения Юпитера.

На границах облачных зон и поясов возникают мощные турбулентные течения, которые приводят к образованию многочисленных вихревых структур. Наиболее известным таким образованием является Большое красное пятно, наблюдающееся на поверхности Юпитера в течение последних 300 лет. По современным представлениям это громадное образование примерно эллиптической формы с величиной осей 26000 км и 14000 км представляет собой свободно мигрирующий в атмосфере вихрь антициклонического типа. Несмотря на большой объем данных, полученных о Большом красном пятне в последнее время, его происхождение и длительное существование в качестве устойчивого антициклона в атмосфере Юпитера остается в значительной степени необъясненным.

На рис. 11 (вверху) приведена мозаика из снимков области Большого красного пятна, полученных космическим аппаратом "Галилео" в июне 1996 г. Внутренняя структура пятна указывает на вращение всего образования в направлении против часовой стрелки. Период этого вращения составляет около 6 дней.

Рис. 11 Детальное изображение Большого красного пятна (вверху) и выделенного участка (внизу). Снимки сделаны космическим аппаратом "Галилео" (1996г.)

Внутри выделенного на мозаике квадрата можно наблюдать еще одно из загадочных явлений, отмеченных в атмосфере Юпитера. В нижней части рис. 11 показаны изображения этой же области, полученные в разницей по времени около 1 час 10 мин. Стрелки указывают на яркие облачные структуры, претерпевшие за это короткое время значительные изменения. Самые мелкие светлые образования, наблюдающиеся на снимках, имеют поперечник несколько десятков километров. Специалисты считают, что наблюдаемые детали по своей природе являются кучевыми облаками, хорошо известными нам на Земле как предвестники грозовых туч. Анализ данных показал, что по составу кучевые облака на Юпитере, как и на Земле, вероятнее всего являются скоплениями водяных паров. В то же время поиски воды в атмосфере Юпитера дают самые противоречивые результаты.

Традиционная точка зрения предполагала, что вода на Юпитере могла образоваться из кислорода, первоначально присутствовавшего в газо-пылевом протопланетном облаке. В этом случае содержание кислорода на Юпитере и на Солнце должно быть одинаковым. Однако, первые измерения, проведенные с близкого расстояния космическим аппаратом "Вояджер" в 1979 г., показали двойное превышение содержания кислорода по сравнению с солнечным. Наблюдения во время падения на Юпитер фрагментов ядра кометы Шумейкеров-Леви 9 в 1994 г. показали, что содержание кислорода может в 5 - 10 раз превышать солнечную норму. Этот результат находился в полном согласии с другой гипотезой, предполагающей, что наблюдаемый в настоящее время на Юпитере уровень содержания кислорода, азота и углерода обусловлен многочисленными падениями комет, которые еще в ранний период существования Солнечной системы изменили первоначальный состав юпитерианской атмосферы.

В декабре 1995 г. спускаемый модуль космического аппарата "Галилео" произвел измерения химического состава непосредственно внутри атмосферы Юпитера. Было установлено, что содержание водяных паров не превышает 0,2%, то есть не отличается от солнечной нормы. Быстрый рост температуры с глубиной и практически полное отсутствие водяных облаков на трассе спуска модуля создали полное впечатление чрезвычайно "сухой" атмосферы.

Обнаружение на окраинах Большого красного пятна короткоживущих кучевых облаков предположительно водного состава показывает, что описанная проблема еще далека от своего полного разрешения. Следует учесть, что показанные на рис. 11 кучевые облака возникли в области интенсивного подъема газов из глубины юпитерианской атмосферы. Таким образом, не исключено, что в результате конвекции происходит вынос на поверхность облачного слоя водяных паров, сконцентрированных на глубине около 50 км. То, что приборы зонда "Галилео" показали противоположный результат, может объясняться просто локальными изменениями состава атмосферы. До сих пор мы оперировали моделями, которые представляли вариации среды по вертикали. Предполагалось, что вариации от места к месту не представляют собой существенного значения. Очевидно, что такие представления можно принять лишь в качестве первого приближения и для такого огромного планетного тела, как Юпитер, не только зональные, но и более частные, локальные изменения условий в атмосфере и в ее составе могут играть существенную роль.

Вулканизм на телах Солнечной системы

Исследование вулканизма на телах Солнечной системы в последние годы привело к массе экзотических открытий и неожиданных находок. Примечательно, что самые захватывающие события и явления связаны с телами, находящимися во внешней части Солнечной системы, точнее - со спутниками планет-гигантов.

Обнаружение реликтовых вулканических построек на поверхности Марса и Венеры и даже некоторые признаки современного венерианского вулканизма не вызвали столь сильного удивления, поскольку представлялись как бы закономерным аналогом активности недр Земли, иногда смещенным по времени. Настоящей сенсацией было открытие действующих вулканов на сравнительно небольшом спутнике Юпитера - Ио. Хотя некоторые факторы, известные до полетов космических аппаратов в область Юпитера, могли бы натолкнуть на мысль о существовании активности недр Ио. Средняя плотность Ио (3,53 г/см³) указывает на то, что спутник практически целиком состоит из горных пород в отличии от его ближайших соседей - Европы, Ганимеда и Каллисто. Телескопические наблюдения выявили распространяющийся по орбите Ио "газовый шлейф", в составе которого оказались сера, натрий, калий и кислород (как мы теперь знаем это - продукты выбросов из недр спутника). И тем не менее, когда снимки, полученные с космического аппарата "Вояджер-1", продемонстрировали существование на Ио около десятка действующих вулканов, это стало событием в исследованиях Солнечной системы. Температура в центрах извержений (эруптивных центрах) достигала 700 К и выбросы со скоростью 1000 м/с поднимались на высоту до 300 км над поверхностью. Анализ всей серии изображений показал, что каждую секунду действующие эруптивные центры выбрасывают около 100000 тонн вещества. Этого количества достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность Ио слоем в несколько десятков метров за несколько миллионов лет. По-видимому, этим объясняется полное отсутствие ударных кратеров на изученной поверхности спутника: погребение ударных структур под слоем вулканического материала идет с большей скоростью, чем их появление в результате падения метеороидов или комет.

На рис. 12 показаны два изображения "обратного" (по отношению к Юпитеру) полушария Ио. Левое изображение составлено по снимкам, полученным в 1979 г. во время пролета аппаратов "Вояджер". Снимок, расположенный справа, получен 17 лет спустя в сентябре 1996 г. космическим аппаратом "Галилео". Нетрудно обнаружить, что за это время детали поверхности претерпели многочисленные изменения. Подтверждением постоянной активности эруптивных центров служат результаты измерений температуры одного из них. С июня 1996 г., когда были проведены первые оценки, температура предполагаемого "жерла" возросла на 300 К и к началу сентября достигла уже почти 1000 К.. Анализ топографических особенностей поверхности Ио приводит к заключению, что наблюдаемые формы рельефа вероятнее всего образованы потоками лавы из жидкой серы, имеющей температуру плавления 390 К.

Рис. 12 Снимки одного и того же полушария Ио, полученные с разницей по времени в 17 лет (1979г. - слева и 1996г. - справа). В результате постоянной вулканической деятельности недр этого спутника Юпитера появились многочисленные изменения деталей поверхности

В настоящее время наиболее вероятным энергетическим источником вулканизма на Ио считают приливный разогрев недр спутника. Как и большинство спутников в Солнечной системе, Ио обращается вокруг Юпитера синхронно, т.е. период осевого вращения спутника равен периоду его обращения вокруг планеты. Ио находится на орбите близко расположенной к Юпитеру, в результате чего образуется приливной горб величиной в несколько километров. Небольшой эксцентриситет орбиты (0,004) приводит к явлениям, аналогичным либрациям Луны в процессе ее вращения вокруг Земли. Одновременно, под влиянием соседних Европы и Ганимеда возникают возмущения эксцентриситета орбиты, что вызывает периодические изменения амплитуды приливных деформаций в коре Ио. Такая постоянная пульсация предположительно тонкой коры (толщиной не более 20 - 30 км) обеспечивает энерговыделение, достаточное для расплава недр спутника, что и выражается в интенсивной вулканической активности. Оценки, сделанные на основе измерений теплового потока, исходящего из "горячих" областей Ио, показывают, что приливной механизм способен генерировать до 10⁸ мегаватт энергии, что более, чем в 10 раз превышает суммарную величину энергии, потребляемой всем человечеством на Земле.

Модель приливного разогрева недр в некоторой степени применима и к Европе, место которой в системе Юпитера также предполагает существование пульсирующих деформаций этого спутника. Средняя плотность Европы несколько меньше, чем средняя плотность Луны и составляет 2,97 г/см³. Эта величина связана с тем, что спутник примерно на 20% по массе состоит из водяного льда, образующего мощную (до 100 км) кору и частично расплавленную (водно-ледяную) мантию, и на 80% из силикатных пород, составляющих разогретое ядро. На поверхности Европы нет эруптивных центров и следов недавних выбросов. В то же время, практически нет и ударных кратеров - обнаружено всего лишь три образования размером больше 5 км, имеющих определенно экзогенное происхождение. На соседних Каллисто и Ганимеде плотность ударных кратеров во много раз выше и в отдельных местах приближается к плотности кратеров на Луне. Следовательно, процессы погребения ударных структур на Европе проходят довольно быстро, хотя и не столь бурно, как на Ио.

Свидетельством значительной активности недр служит, в частности, глобальная сеть тектонических разломов, покрывающая всю ледяную поверхность Европы. Трещины, имеющие ширину от 20 до 200 км, простираются на тысячи километров. Перепады высот на поверхности в среднем не превышают 100 м. Подобное отсутствие выраженных форм рельефа (поверхность Европы выглядит как покрытый льдом водоем), по-видимому, служит указанием на существование подповерхностного глобального океана жидкой воды. Его предполагаемая глубина может достигать 50 км, что делает Европу единственным, исключая Землю, телом Солнечной системы, где вода в жидком состоянии встречается в таком огромном объеме.

Другим доказательством движения вещества из недр спутника служит наличие в поверхностном слое примеси горных пород, относящихся, как было указано выше, к составу ядра. На рис. 13 представлены изображения Европы в видимых (левое) и инфракрасных (правое) лучах. Левое изображение составлено по снимкам, полученным во время пролета аппаратов "Вояджер". Правое, инфракрасное изображение получено летом 1996 г. космическим аппаратом "Галилео". Наиболее яркие области на этом изображении соответствуют материалу с большей теплоотдачей, то есть имеющему значительную примесь горных пород. Соответственно, на левом изображении эти области имеют низкое альбедо (т.е. отражательную способность поверхности) по сравнению с альбедо поверхности чисто ледяного состава. Наличие на поверхности вещества из ядра спутника служит общей характеристикой мощности внутренних процессов на Европе, которые способны обеспечить прорыв силикатного материала из глубины через 50-километровый слой водной мантии и 100-километровый слой ледяной коры.

Рис. 13 Изображение Европы в видимых (слева) и инфракрасных (справа) лучах. Снимки составлены по результатам съемок космического аппарата "Галилео" (1996г.)