Солнечная система

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 291↑

08.09.2003 Хронометраж

38:52

Стенограмма эфира

Что мы знаем о Солнечной системе — ее возникновении и эволюции? Какие планеты и спутники в Солнечной системе представляют наибольший интерес с точки зрения сравнительной планетологии? О методах изучения Солнечной системы и последних открытиях в этой области — член-корреспондент РАН Михаил Маров.

Участник:

Маров Михаил Яковлевич — член-корреспондент РАН

Обзор темы:

Основная научная деятельность отдела прикладной механики, планетных исследований и астрономии, возглавляемого М. Я. Маровым, направлена на изучение фундаментальных проблем природы космических сред, исследования структуры, теплового режима и динамики газовых оболочек небесных тел и разработку соответствующих математических моделей. Ключевое значение имеют вопросы математического описания процессов переноса в разреженных газах — нейтральных и частично ионизованных верхних атмосферах Земли, планет, комет и околопланетного космического пространства, лежащие в основе теоретической и прикладной аэрономии, как одного из разделов, лежащих на стыке механики, физической кинетики и наук об атмосфере. Применительно к изучению этих проблем развиты методы кинетической теории газов и механики сплошной среды, с учетом лучистого переноса и трансформации энергии солнечного электромагнитного и корпускулярного излучения, сопровождаемого многочисленными элементарными фотохимическими процессами (диссоциация, ионизация, возбуждение), химическими превращениями и процессами тепло- и массообмена. Выполнен принципиально важный для гидродинамики смесей комплекс исследований по теории и методам моделирования турбулентных многокомпонентных химически активных газовых сред, что позволило изучить взаимовлияние турбулентного перемешивания и химических реакций. Разработаны оригинальные подходы к изучению процессов неравновесной химической кинетики, играющих важную роль при накачке солнечной энергии в реагирующую смесь атмосферных газов, что во многом определяет характер эмиссий и тепловой баланс верхней атмосферы и околопланетного космического пространства. Значительное развитие получили методы моделирования истечения газопылевой смеси при сублимации кометного ядра, разработка моделей формирования аккреционных турбулентных дисков при наличии процессов коагуляции и моделей происхождения и эволюции планетных атмосфер с учетом миграционных и столкновительных процессов в Солнечной системе, а также моделирование оптических свойств аэрозолей естественного и антропогенного происхождения.

Солнечная система является нашим ближайшим космическим окружением, поэтому ее изучение представляет первостепенный научный и практический интерес. За несколько космических десятилетий в исследованиях Солнечной системы достигнут громадный прогресс, и лавина открытий продолжает нарастать. Телевизионная и радиолокационная съемка планет и их спутников, наблюдения особенностей поверхностей и атмосфер в различных диапазонах длин волн, изучение свойств околопланетного пространства, исследования комет, астероидов и метеорного вещества дали богатейший экспериментальный материал и способствовали пересмотру многих существовавших теоретических представлений и подходов. На новую основу поставлена разработка значительно более совершенных моделей, в том числе с использованием современных мощных вычислительных средств. Открылись новые возможности в изучении всего семейства планет, исходя из концепции сравнительной планетологии, что имеет важнейшее значение для понимания природы Земли. На более строгую научную основу поставлена планетная космогония, впечатляющие успехи которой достигнуты в последние годы благодаря открытиям протопланетных дисков и внесолнечных планет. Дальнейшим важным шагом в этом направлении должно стать прямое изучение внеземного вещества, в первую очередь первичного вещества малых небесных тел, и на решение этой задачи уже в ближайшем будущем нацелено создание новых высокоэффективных космических средств.

Достижения в исследованиях Солнечной системы заставили по-новому взглянуть на многочисленные проблемы, остающиеся нерешенными, и вместе с тем, поставили в число первоочередных ряд новых важных вопросов. К ним относятся вопросы о происхождении и ранних этапах эволюции Солнечной системы, о причинах ее уникальности по сравнению с известными планетными системами у других звезд, об особенностях эволюционного пути Земли, выделившего ее среди остальных планет земной группы, о происхождении летучих элементов, сделавших возможным формирование атмосферы, гидросферы и, в конечном итоге, создание благоприятных климатических условий для существования жизни. С проблемой ее возникновения, которая остается дискуссионной, связаны наиболее актуальные направления в изучении природы планет и их спутников, пребиотической эволюции вещества и его миграции в Солнечной системе. С этой точки зрения первостепенный интерес представляют Марс, спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Титан.

Параллельно с проведением натурных экспериментов, осуществленных при полетах космических аппаратов к Луне, Венере и Марсу, подробно изучались на математических моделях вопросы переноса излучения, теплового режима и циркуляции. Очевидно, в формировании энергетического баланса Венеры определяющую роль играют необратимый парниковый эффект и динамические процессы различных пространственных масштабов. Поэтому понимание особенностей теплового режима атмосферы Венеры связано, в первую очередь, с изучением высотных профилей суммарных потоков нисходящего солнечного и уходящего теплового излучения, а также взаимосвязи радиационного и динамического теплообмена. Соответственно, для расчета тепловых потоков необходимо знать оптические свойства основных компонентов атмосферы и распределение их содержания по высоте. С этой целью были подробно изучены спектральные свойства основных атмосферных компонентов, с учетом их модификации высокой температурой и давлением. Было показано, что по степени вклада в общую непрозрачность атмосферы Венеры в инфракрасной части спектра наиболее важную роль играют СО₂, H₂O и SO₂. При этом алые примеси — водяной пар и двуокись серы — влияют на перенос теплового излучения только вне основных полос поглощения углекислой атмосферы, причем наибольшее влияние на непрозрачность среды оказывают пары воды.

Ключевые проблемы космических природных сред тесно связаны с природой малых тел, в первую очередь кометами, являющимися реликтами процессов формирования планет и, соответственно, носителями первичного вещества. Поэтому кометы служат источниками потенциально важной информации о самом начальном периоде формирования Солнечной системы. Их можно ассоциировать с планетезималями, выброшенными вследствие приливных возмущений из областей рождения планет юпитерианской группы на периферию Солнечной системы, где образовались пояс Эджеворта-Койпера и облако Оорта. Поэтому изучение структуры и свойств комет представляет первостепенный интерес для планетной космогонии. Одновременно с этим, по разнообразию и сложности физических процессов, сопровождающих эволюцию этих тел на различных гелиоцентрических расстояниях, кометы являются исключительно интересными объектами для математического моделирования. Поэтому изучение структуры, свойств и эволюции комет представляет первостепенный интерес как для планетной космогонии, так и для механики конденсированных сред. В развиваемых в отделе, возглавляемом М. Я. Маровым, математических моделях комет основное внимание уделяется вопросам тепломассопереноса в пористом кометном ядре. Эти модели, в частности призваны служить более надежному истолкованию экспериментальных данных, ожидаемых от будущих космических проектов полетов к кометам.

Другим важным направлением являются вопросы миграции комет и астероидов и их вклада в формирование атмосфер и гидросфер планет земной группы. В частности, ключевой в проблеме эволюции Венеры и ее атмосферы остается вопрос о том, был ли на Венере первичный водный океан, как на Земле, и если да, то когда и как произошла его потеря. Не вызывает сомнения наличие больших запасов воды и ранней достаточно плотной атмосферы у Марса. Между тем, исходя из современных космогонических представлений, летучие элементы не могли быть удержаны в зоне формирования Земли, Венеры и Марса вследствие высокой температуры в этой части протопланетного диска и эффективности выметания первичных атмосфер солнечным ветром молодого Солнца. Объяснить существующее, тем не менее, относительно высокое содержание летучих на этих планетах можно за счет механизма гетерогенной аккреции, вследствие их интенсивной бомбардировки кометами и астероидами из внешних областей Солнечной системы. Исследование орбитальной динамики малых тел (комет, астероидов главного пояса и тел из пояса Эджеворта-Койпера) позволило получить количественные оценки эффективности их миграции в зону планет земной группы и тем самым найти подкрепление данного механизма. Ограничение на относительный вклад ледяных комет и астероидов типа углистых хондритов в доставку воды и других атмофильных элементов на эти планеты накладывает изучение содержания инертных газов и их изотопного состава в атмосферах. Моделирование миграции малых тел непосредственно связано также с анализом роли столкновительных процессов в Солнечной системе и оценками эффективности переходов астероидов на орбиты, пересекающиеся с орбитой Земли, что вносит вклад в актуальную проблему астероидной опасности.

В вопросах космогонии важную роль играет изучение аккреционных дисков. Моделирование таких газопылевых комплексов на различных стадиях эволюции, с которыми связаны процессы звездообразования и формирования протопланетных дисков, относится к одному из важных приложений разработанной в отделе прикладной математики, планетных исследований и аэрономии инвариантной теории турбулентности гетерогенных сред.

Комплекс исследований механики турбулентности реагирующих газов, начатых более 25 лет назад, нацелен на создание математической теории турбулентности неоднородных сред путем детального изучения совместного протекания процессов кинетики и тепломассообмена в турбулентном сжимаемом сдвиговом потоке химически активных газов. Повышенный интерес к этой проблеме связан, помимо ее общенаучной значимости, также с весьма широкой распространенностью процессов турбулентного переноса в реагирующих средах. В частности, стремительное расширение представлений об окружающих областях пространства вблизи Земли и далеко за ее пределами, вызванное развитием космических исследований, привело к более глубокому проникновению в физическую сущность явлений, происходящих в различных природных средах при разных состояниях составляющей их материи. Это вызвало к жизни создание все более усложняющихся моделей этих сред, чему способствовал громадный прогресс в создании мощных вычислительных комплексов.

Влияние на турбулентность смеси различных специфических факторов (таких, как сжимаемость и многокомпонентность потока, переменность теплофизических свойств среды, наличие химических реакций, воздействие гравитационного поля и др.), приводящее к появлению дополнительных усложняющих эффектов в теории турбулентного переноса, потребовало разработки новых подходов при построении адекватных математических моделей реагирующей турбулентности, которые в силу сложности динамической и физико-химической картины явления в подобной среде, в значительной мере являются полуэмпирическими. Эти дополнительные эффекты не позволяют, в общем случае, использовать результаты, полученные в рамках традиционного описания течений однородной жидкости (в приближении Буссинеска), применимые, в частности, в метеорологии. Для того, чтобы теоретически исследовать подобные среды, требуется разработка новых математических моделей многокомпонентной турбулентности, адекватно описывающих процессы динамики, кинетики, тепло- и массопереноса в химически активном газовом континууме.

Разрабатываемые теоретические методы имеют также прикладную направленность, исходя из задач математического моделирования и широких возможностей проведения вычислительных экспериментов, когда необходим учет многокомпонентности и сжимаемости потока, переменности теплофизических свойств среды, наличия химических реакций и воздействия гравитационных и негравитационных сил. Большие трудности при численном решении осредненных уравнений химической гидродинамики с переменными плотностью и теплофизическими свойствами (коэффициентами переноса, константами скоростей и т. п.) связаны с сильной нелинейностью и наличием больших градиентов плотности. Уравнения химической кинетики также вносят значительные дополнительные трудности, обусловленные тем, что эти уравнения относятся к «жестким» уравнениям («жесткость» возникает из-за наличия в системе как очень быстро, так и очень медленно изменяющихся концентраций реагирующих компонентов), которые с трудом поддаются численному интегрированию. Как следствие, требуется создание новых эффективных численных методов, связанных с необходимостью использования многопроцессорных вычислительных систем с распределенной памятью и позволяющих значительно сократить время вычислений.

Разреженный газ внешних оболочек планет и комет, лежащих в пограничных областях между атмосферой и космосом, в зависимости от пространственно-временных масштабов изучаемых процессов и явлений, может описываться методами многокомпонентной радиационной гидродинамики и кинетической теории газов. Однако, с учетом специфики этих сред, необходима разработка подходов, позволяющих корректно учитывать вклад радиационных и химических источников нагрева, обусловленных прямым поглощением солнечной энергии и инициируемым им многоканальным комплексом астрономических процессов.

Теоретическое исследование этих сложных нелинейных процессов, разработка подходов, обеспечивающих возможности моделирования таких сред и численного решения соответствующих модельных задач являются важным научным направлением в изучении природных сред, фундаментом которого служит механика. Оно позволяет моделировать существенно неравновесные среды в околоземном и околопланетном космическом пространстве. Для таких модельных задач, трудности решения которых обусловлены большим числом независимых переменных и сложной нелинейной структурой интегралов столкновений, разработан и успешно применен в конкретных разработках модифицированный метод стохастического моделирования. Суть его состоит в построении физико-вероятностного аналога исходного кинетического явления в виде некоторого случайного процесса и его численной реализации на ЭВМ.

Из статьи В. В. Шевченко «Солнечная система»:

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 1/10 000 часть времени, прошедшего с момента образования планет. И всего лишь около 1/1 000 000 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.

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 — 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 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 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. Еще одна планета — Плутон — в момент своего открытия в 1930 г. занимала 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 118°. Средний радиус орбиты Харона необычно мал — менее 19 700 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 1,5 · 10⁻⁸ массы планеты. Остается добавить, что наклонение орбиты самого Плутона к плоскости эклиптики также нетипично — более 17°. Остальные планеты, за исключением Меркурия (i = 7°), вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости, уклоняясь от нее не более, чем на 2–3°.

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.

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.

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. 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 70 000 тел с размерами от 100 до 400 км.

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.

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 (г·см²/с) от массы М (г):

J = 7,6 M^4/5.

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 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.

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 35 000 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.

Можно разделить основные тела Солнечной системы по относительному содержанию вещества в химическом составе. 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».

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.

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.

Возраст 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.

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.

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.

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.

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 4 · 10¹⁷ 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.

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 26 000 км и 14 000 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 снимках Юпитера можно наблюдать еще одно из загадочных явлений, отмеченных в атмосфере Юпитера — облачные структуры, претерпевающие за короткое время значительные изменения. Самые мелкие светлые образования 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 газопылевом 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 кучевые облака возникали 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 отличие 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 100 000 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.

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. 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.

Не менее, а возможно, еще более экзотическим и загадочным примером может служить вулканическая активность спутника Нептуна — Тритона. Для обозначения этих процессов пришлось ввести специальный экзотический термин — криовулканизм, т. е. вулканизм при низких температурах. Внешние проявления криовулканизма потрясают воображение: из поверхности, покрытой замерзшим азотом и имеющей температуру около 38 К, выбивается гейзер высотой около 8 км при толщине столба выброса от 20 м до 2 км. На снимках, сделанных космическим аппаратом «Вояджер-2» в 1989 г., были зафиксированы два действующих извержения. Выбросы развеивались ветром с востока на запад на значительное расстояние (более 100 км) и, осаждаясь на поверхность, оставляли следы в виде протяженных темных полос-шлейфов. По таким шлейфам в южной полярной области спутника было отождествлено еще около 50 ранее действовавших извержений.

Тритон имеет диаметр около 2700 км и его средняя плотность составляет 2,0 г/см³. По массе спутник состоит на 70% из силикатов и на 30% из льдов, в состав которых входят N₂, CO и CH₄. Для объяснения криовулканизма, наблюдаемого на Тритоне, предложено несколько механизмов, включая и описанный выше приливной разогрев. Предполагают также, что криовулканические процессы имеют приповерхностный источник энергии, когда при многослойной структуре верхних слоев льда в одном из слоев происходит аккумуляция слабого здесь солнечного тепла. Постепенно накапливаясь, внутреннее давление достигает уровня, достаточного для гигантского выброса. Какова природа криовулканизма в действительности, еще предстоит решить.

Библиография

Бронштэн В. А. Планеты и их наблюдения. М., 1979

Жарков В. Н., Трубицин В. П. Физика планетных недр. М., 1980

Игнатов С. И. Миграция небесных тел в Солнечной системе. М., 2000

Камаскелла В., Радзини Дж. Вселенная: Солнечная система, звезды, созвездия, галактики. М., 2002

Келдыш М. В., Маров М. Я. Космические исследования. М., 1981

Колесниченко А. В., Маров М. Я. Турбулентность многокомпонентных сред. М., 1999

Ксанфомалити Л. В. Планеты, открытые заново. М., 1978

Ксанфомалити Л. В. Парад планет. М., 1997

Кузьмин А. Д., Маров М. Я. Физика планеты Венера. М., 1974

Маров М. Я. Планеты Солнечной системы. М., 1981

Маров М. Я., Колесниченко А. В. Введение в планетную астрономию. М., 1987

Маров М. Я., Шематович В. И., Бисикало Д. В. Кинетическое моделирование разреженного газа в задачах аэрономии. М., 1990

Третьяков Ю. М. Происхождение и структура Солнечной системы. М., 1998

Fridman A. M., Marov M. Ya., Miller R. Observational Manifestation of Chaos in Astrophysical Objects. Kluwer Academic Publishers, 2002.

Тема № 291

Эфир 08.09.2003

Хронометраж 38:52

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz