# Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Владимир Георгиевич Сурдин

Вторая книга серии «Астрономия и астрофизика» содержит обзор текущего состояния изучения планет и малых тел Солнечной системы. Обсуждаются основные результаты, полученные в наземной и космической планетной астрономии. Приведены современные данные о планетах, их спутниках, кометах, астероидах и метеоритах. Изложение материала в основном ориентировано на студентов младших курсов естественно-научных факультетов университетов и специалистов смежных областей науки. Особый интерес книга представляет для любителей астрономии.

Annotation

Вторая книга серии «Астрономия и астрофизика» содержит обзор текущего состояния изучения планет и малых тел Солнечной системы. Обсуждаются основные результаты, полученные в наземной и космической планетной астрономии. Приведены современные данные о планетах, их спутниках, кометах, астероидах и метеоритах. Изложение материала в основном ориентировано на студентов младших курсов естественно-научных факультетов университетов и специалистов смежных областей науки. Особый интерес книга представляет для любителей астрономии.


Глава I

Глава II

Глава III

Глава IV

Глава V

Глава VI

Глава VII

Глава VIII

Глава IX

Глава X

Глава XI

Глава XII

Глава XIII

Глава XIV


Глава I


ЭПОХА ПЕРВЫХ МЕЖПЛАНЕТНЫХ ЭКСПЕДИЦИЙ


Созерцать красоту и гармонию Вселенной, хоть в какой-то степени их постигая, — одна из основных человеческих способностей, доставляющих ему наивысшее удовлетворение.

Ганс Селье, канадский биолог и врач.


Мы живем в эпоху великих открытий в Солнечной системе… Далеко не все жители Земли взволнованы этим фактом. Не станем их за это упрекать. Эпоха великих географических открытий — 500 лет назад — тоже протекала без особого общественного интереса, но, спустя столетия, ее плодами пользуются все.

Второй том из серии «Астрономия и астрофизика» посвящен Солнечной системе — природе ее планет, спутников и малых тел. Хотя эта книга написана астрономами, мы хорошо понимаем, что изучение Солнечной системы уже далеко вышло за рамки классической науки о небесных телах. От разглядывания далеких туманных пятнышек в телескопы, чем занимались астрономы прошлых эпох, ученые перешли к прямому зондированию Луны и планет, астероидов и комет. Авторами новейших открытий на иных планетах теперь являются не только астрономы, но и специалисты по космической технике, а также географы и геологи, которых уже с полным правом можно называть планетологами. И недалеко то время, когда появится новая специальность — экзопланетолог, специалист по планетным системам иных звезд.

Впрочем, на фоне этого «головокружения от успехов» важно понимать, что стремительное расширение географических границ не означает, что наша планета — Земля — уже достаточно исследована. Напротив, ее детальные исследования сейчас в самом разгаре. Фактически лишь недавно, благодаря спутникам, люди увидели всю поверхность Земли. А что лежит под ней? Что скрывается в глубинах океанов? Как выглядят материки под ледяными куполами Гренландии и Антарктиды? Что происходит глубоко в земных недрах? Как ведет себя геомагнитное поле? В чем причина глобальных перемен климата и биосферных катастроф? Наконец, как сформировалась наша уникальная планета и какая роль в этом принадлежит ее гигантскому спутнику — Луне? Многое в отношении планеты Земля для нас до сих пор — загадка. Ответы на многие вопросы могут оказаться жизненно важными для нашей цивилизации.

Приведем характеристики планеты Земля:

Большая полуось орбиты

1 а.е.=1,496×10

11

м.


Сидерический период обращения

365,2564 сут.


Тропический период обращения («год»)

365,2422 сут.=3,1557×10

7

с.


Сидерический период вращения («звездные сутки»)

0,99727 сут. = 23 ч. 56 мин. 04 с.


Средние солнечные сутки («сутки»)

24 ч.


Эксцентриситет орбиты

0,0167.


Средняя орбитальная скорость

29,8 км/с.


Наклон экватора к орбите

23°26'.


Масса, М

5,9736×10

24

кг.


Средняя плотность

5,52 г/см

3


Экваториальный радиус, R

e

6378,160 км.


Полярный радиус, R

p

6356,777 км.


Средний радиус, R

6371,032 км.


Сжатие, (R

e

—R

p

)/R

e

1/298.


Ускорение притяжения к Земле на экваторе

9,80665 м/с

2


Ускорение свободного падения на экваторе

9,78033 м/с

2


Скорость ускользания (2-я космическая)

11,19 км/с.


Скорость вращения на экваторе

465,11 м/с


Безразмерный момент инерции (в ед. MR

2

)

0,3308


Радиус внешнего (жидкого) ядра

3480 км.


Средняя плотность внешнего ядра

10 г/см

3


Радиус внутреннего (твердого) ядра

1270 км.


Средняя плотность внутреннего ядра

13 г/см

3


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,306.


Геометрическое альбедо (визуальное)

0,367.


Поток солнечного излучения вне атмосферы

1369 Вт/м

2


Полное поглощаемое излучение

1,2×10

17

Вт.


Поток тепла из недр

0,05 Вт/м

2


Эффективная температура

247 К =—26°С.


Средняя температура воздуха у поверхности

287 К = 14°С.


Плотность воздуха у поверхности

1,22 кг/м

3


Давление у поверхности

1,014 бар.


Масса океана

1,4×10

21

кг.


Масса атмосферы

5,2×10

18

кг.


Состав атмосферы (% объема)

N

2

(78), О

2

(21), Аr (0,9), С0

2

(0,03).


Магнитный момент геоцентрического диполя

0,299 Г

с

R

е

3

(2005 г.).


Наклон оси дипольного компонента к оси вращения

10,3° (2005 г.).


Количество спутников

1 (Луна).


В области исследования планет XX век принес нам скорее спортивно-технические достижения, чем научные: большинство планет было «достигнуто», их эффектные изображения были переданы на Землю и растиражированы, что само по себе замечательно, но систематических детальных исследований не проводилось. Полученные данные в большей степени поставили новые вопросы, чем ответили на старые. Но в последнее десятилетие, фактически — уже XXI века, за планеты взялись всерьез: у Юпитера и Сатурна появились долговременные орбитальные зонды («Галилео» и «Кассини»), начались посадки на спутники планет (пока это лишь Титан, но лиха беда начало), работают аппараты у Венеры, летят к Меркурию и Плутону, а про Марс и говорить нечего — рядом с ним и на его поверхности постоянно действует целая научная армада. Из разряда политико-идеологических межпланетные полеты перешли в разряд чисто научных. О них стали меньше писать и говорить, но они начали приносить значительно больший научный урожай.

При этом исследования космоса и Земли всегда происходили и сейчас происходят параллельно, сопутствуя и способствуя друг другу. Могу напомнить, что XX век начинался с покорения полюсов Земли, что лишь в середине века были достигнуты самая высокая и самая глубокая точки земной поверхности, и что лишь к концу века была более или менее изучена вся толща атмосферы нашей планеты. Можно сказать, что именно в конце XX в. эпоха великих географических открытий начала плавно перетекать в эпоху грандиозных межпланетных экспедиций. Напомню, что научное изучение Антарктиды началось во время Международного геофизического года (1955—1958), тогда же, когда были запущены первые искусственные спутники Земли.


Рис.1

На рис.1 мы можем видеть обратную сторону Луны. Многие астрономы прошедших столетий готовы были отдать жизнь, чтобы увидеть это изображение. Космическая эра принесла нам множество прекрасных изображений далеких планет, но этот первый космический снимок ближайшего небесного тела навсегда останется самым ценным. И не потому что он был первым, хотя и это важно. Ценность этого снимка в его незаменимости: из всего, что нам хотелось бы увидеть в Солнечной системе, в принципе невозможно увидеть, не покинув Землю, только обратную сторону Луны. Зонд фотографировал Луну обычными (для той эпохи) фотоаппаратами с длиннофокусным и короткофокусным объективами, проявлял пленку на борту и с помощью фототелевизионной системы передавал полученные изображения на Землю. Компьютеров на борту зонда не было вообще. И хотя техническое качество этого снимка невысокое, он принес большое открытие — обратная сторона Луны совершенно не похожа на видимую сторону. Эта загадка не решена до сих пор.

По сути, романтическая эпоха географических открытий не прерывалась. А сегодня у каждого из нас есть возможность быть «участником» сразу нескольких захватывающих экспедиций. Глазами роботов мы видим все то, что видят ученые, организовавшие полеты к другим планетам. Потрясающие марсианские ландшафты не могут оставить нас равнодушными. Мы с нетерпением ждем посадок зондов на поверхности спутников планет, астероидов и ядер комет. В наши дни впереди людей идут автоматы; вероятно, так будет уже всегда. Но острота наших ощущений от этого не снижается.

Интересно, сколько людей следило бы за экспедициями Колумба и Магеллана, если бы в то время на их кораблях были вебкамеры on-line? В наши дни у каждого есть возможность стать виртуальным первопроходцем. Но многие ли люди регулярно заходят на сайты NASA, чтобы следить за ходом марсианских и прочих межпланетных экспедиций? Оказывается, таких любознательных заметно меньше, чем посетителей порно-сайтов. К счастью, романтика поиска пока остается уникальным свойством человека: стремление к новому знанию уже тысячи лет помогает нам эволюционировать быстрее любого другого биологического вида и, благодаря этому, радикально улучшать условия нашей жизни. И так будет до тех пор, пока каравеллы плывут к неизведанным землям, а зонды летят к новым планетам!


***

Как известно, естественные науки и техника взаимно стимулируют друг друга. В полной мере это справедливо и для астрономии. Когда-то, благодаря ей, значительно ускорилось развитие механики и оптики, а сегодня технические достижения возвращают долг науке: начавшись во второй половине XX в. техническая революция в астрономии продолжается. Трудно было предвидеть лет 20 назад, каких высот достигнут сегодня возможности астрономических наблюдений. Телескопы-рефлекторы с главными зеркалами диаметром 5—6 м. казались (и на самом деле были в то время) пределом технических возможностей, а сегодня уже работает несколько 10-метровых телескопов и проектируются инструменты до 100 метров в диаметре! При этом астроном-наблюдатель, как ученый-отшельник, проводящий в одиночку у телескопа долгие ночные часы, ушел в прошлое: современным 1000-тонным телескопом управляет команда инженеров и компьютеров, решая задачу, поставленную астрономом.

Астрономия — старейшая из наук, и всегда главным инструментом астронома был глаз. Сначала это был невооруженный глаз, затем — вооруженный телескопом. И даже в эпоху фотографии, существенно усилившей возможности телескопа, глаз оставался в строю, став из первичного приемника света вторичным: фотоэмульсию на стеклянной пластинке астроном до недавних пор мог изучать только глазом. Сейчас эта эпоха подходит к концу. С помощью автоматических фотометров астрономы скоро закончат сканирование и оцифровку всех когда-либо отснятых фотопластинок, — а их миллионы! — и тогда эпоха визуальной астрономии закончится. При этом содержание драгоценных «стеклянных библиотек» всех обсерваторий мира станет доступным любому профессионалу и даже любителю.

Впрочем, по эффективности работы электронный глаз уже давно победил своего живого собрата. Последние 8—10 лет автоматизированные телескопы стали практически самостоятельно совершать открытия, причем с ошеломляющей эффективностью. Взять такую сравнительно рутинную работу, как поиск астероидов. С момента обнаружения первого из них (1801 г.) в течение 90 лет астрономы визуально открыли 322 малых планетки. В 1891 г. Макс Вольф в Гейдельбергской обсерватории (Германия) открыл первый фотографический астероид (№323). По истечении века, к 1 января 1991 г., всего было обнаружено 4655 астероидов. Таким образом, «фотографический век» по сравнению с «визуальным веком» увеличил число астероидов на порядок. В 1990-е гг. фотопластинку и глаз стали заменять электронные приемники света, в основном ПЗС-матрицы. В результате, к концу 2007 г. открыто около 400 тыс. астероидов, из которых около половины изучено достаточно подробно для точного определения их орбит. Менее чем за 20 лет количество известных астероидов возросло на два порядка! Сейчас их открывают примерно по 5000 каждый месяц! Стремительно растет и количество известных спутников планет: в 1980 г. их было 45, сегодня — около 170. При таких темпах скоро будет закончена полная инвентаризация Солнечной системы.


Открытие большого числа новых объектов, прежде всего, требует их классификации. В последние годы введено много новых классов и изъяты некоторые старые, например, «малая планета» как синоним «астероида». В 2006 г. Международным астрономическим союзом был принят новый термин «малое тело Солнечной системы» (small Solar system body, SSSB) для обозначения всех объектов Солнечной системы, не являющихся классическими планетами (Меркурий, …, Нептун) или планетами-карликами (dwarf planet), а также их спутниками. Таким образом, в число малых тел Солнечной системы попали все кометы; все традиционные астероиды (за исключением Цереры, отнесенной к планетам-карликам); все «кентавры» (centaur), движущиеся между орбитами планет-гигантов; все «троянцы», движущиеся по орбитам планет синхронно с ними, а также почти все объекты за орбитой Нептуна (trans-Neptunian object, TNO), кроме Плутона и Эриды, отнесенных к планетам-карликам. Повторю: спутники планет не входят в число малых тел Солнечной системы.

Не исключено, что со временем некоторые крупнейшие из малых тел Солнечной системы перейдут в разряд планет-карликов, если выяснится, что они имеют округлую форму, приобретенную под действием собственной гравитации (т.е. находятся в состоянии гидростатического равновесия). Очевидно, среди спутников планет некоторые входили когда-то в число малых тел Солнечной системы, а позже были захвачены на околопланетные орбиты; прежде всего это относится к иррегулярным внешним спутникам планет-гигантов. Что касается нижней границы масс малых тел Солнечной системы, то формально она не определена, и поэтому в их число можно включать даже мелкие объекты типа метеороидов размером 1—100 м. Именно поэтому в главе «Малые тела Солнечной системы» рассказано не только об астероидах и кометах, но также о метеорах и метеоритах.

Как видим, в исследовании Солнечной системы, помимо чисто «бухгалтерских» достижений, выражающихся количеством открытых объектов, есть прогресс и в принципиальных вопросах (как известно, количественные изменения неизменно переходят в качественные). За последние годы в популяции малых тел Солнечной системы открыто несколько новых классов объектов, интересных как своими физическими свойствами, так и характером движения. Например, выделено несколько новых семейств: сближающиеся с Землей астероиды; троянцы Нептуна и (возможно) Марса; кентавры, движущиеся на орбитах между планетами-гигантами; астероиды на подковообразных орбитах; астероиды со спутниками и двойные астероиды; а также временные спутники больших планет, объекты пояса Койпера, сгорающие в атмосфере Солнца кометы, кувыркающиеся астероиды и спутники. Кроме этого, семейство планет разделилось на два подкласса — большие, или классические, планеты и планеты-карлики (пока их три: Плутон, Церера и Эрида). Решение об исключении Плутона из группы классических планет получило огромный общественный резонанс и для многих оказалось болезненным («Астрономы обещали найти десятую планету, а сами сократили их число до восьми!»). Страсти еще не улеглись, но, по-видимому, новая номенклатура приживется.

Все малые тела теперь делятся на две основные группы — движущиеся внутри орбиты Нептуна (cis-Neptunian objects) и вне его орбиты (trans-Neptunian objects, TNOs). Между до-нептуновыми и за-нептуновыми объектами также обнаружились малые тела. Речь идет не о спутниках Нептуна, а об «условно-свободных» телах — троянцах Нептуна. В марте 2008 г. их было известно 5; все они в диаметре более 100 км, и все движутся более или менее по орбите Нептуна на 60° впереди него, в окрестности точки Лагранжа L4. Чтобы не усложнять классификацию, троянцев Нептуна отнесли к первой группе.

Учитывая огромное количество новооткрытых малых тел, очевидно, в ближайшее время будут выделены и новые их группы. Например, предлагается выделить новое семейство «дамоклоидов» (Damocloids), названного по имени объекта 5335 Damocles, имеющего долгопериодическую высокоэксцентричную орбиту, такую, как у кометы Галлея, но при этом не демонстрирующего кому и хвост. Уже найдены десятки подобных объектов, вероятно, являющихся дегазированными ядрами комет, покрытыми толстой корой (поверхность у всех очень темная). Среди них сам Дамокл выделяется тем, что движется по ретроградной орбите — характерный признак кометы.

Как всегда в науке, накопление фактов и следующий за этим период классификации заканчиваются более глубоким пониманием эволюции и ее механизмов — за «леннеевским» периодом следует «дарвиновский». Скоро этот период наступит и в изучении Солнечной системы. К счастью, мы еще многого не понимаем в ее истории. А значит, самые интересные открытия — впереди!


Глава II


НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА


Начало

Наряду с астрометрией небесная механика — древнейшая ветвь астрономии, существовавшая уже в третьем тысячелетии до н.э. Основная двуединая задача небесной механики от античности до наших дней — построение математической модели движения небесных тел и определение ее параметров из наблюдений.

В этой статье я буду использовать современные термины. Но для передачи аромата эпохи полезно иногда приводить и старые. Любя высокопарный стиль, наши предшественники говорили не «модель», а «Система Мира». Словосочетание небесная механика появилось и вошло в употребление лишь после публикации в 1798 г. одноименного сочинения П.С. Лапласа. А как же говорили до этого? В древности — никак. Астрономия, и все тут! Потом стали добавлять прилагательные и долго отождествляли теоретическую астрономию и небесную механику. Потом теоретические разделы появились и в других ветвях астрономии — прежде всего, в астрофизике, и сейчас термин «теоретическая астрономия» практически вышел из употребления.

История небесной механики делится на два больших периода: до и после выхода в 1686 г. книги И. Ньютона «Математические начала натуральной философии». С этого момента начинается наука в современном смысле слова. Движение предстало однозначным следствием физических причин, тогда как раньше причины известны не были и математические модели ничем не ограничивались, кроме как недостатком фантазии ученых или идеологическими догмами, господствовавшими в обществе.

Многие мои друзья-астрофизики (начало астрофизики как современной науки произошло еще при жизни некоторых ныне здравствующих долгожителей) говорят мне, что небесная механика как наука началась с Ньютона, а до этого была только преднаукой. Не буду спорить о терминологии, ведь по-существу мы представляем развитие науки одинаково. Щедро предлагаю противоположное: добавить к возрасту астрофизики несколько тысячелетий. Ведь цвет и яркость Луны, Солнца, звезд, планет говорят кое-что об их физических свойствах; мерцание света и цвета звезд, изменение цвета и яркости светил в зависимости от высоты над горизонтом, изменение цвета и яркости Луны при полном лунном затмении говорят о свойствах атмосферы третьей планеты; неизменное появление четок Бейли и короны при полном солнечном затмении говорит о рельефе Луны и свойствах солнечной атмосферы и короны. Можно и продолжить: метеоры, метеориты, кометы, новые звезды…


Слушается дело о солнечном затмении

Древний, очень древний Китай, 2137 г. до н.э. Суд. Двое обвиняются в государственном преступлении. Прокурору нет нужды изобретать хитрые аргументы в поддержку обвинения. И вовсе не потому, что идет тридцать седьмой год. Обвинитель краток:

«Императорские астрономы Хи и Хо не предсказали солнечного затмения! Это знают и могут подтвердить все. В результате дракон начал пожирать Солнце на глазах у пораженного народа, не подготовленного к отражению страшной агрессии, не предупрежденного теми, кто должен был сделать это по долгу службы».

Он передохнул, вытянул обличающую руку в сторону бледных ученых и продолжал:

«А они предавались разврату ночью вместо того, чтобы наблюдать за светилами, пьянствовали днем вместо того, чтобы вычислять и обрабатывать наблюдения. К счастью, бдительные стражи Государственной Безопасности не растерялись, подняли народ и бросили его на борьбу с драконом. Страшный шум от сковородок, кастрюль, тазов, по которым неистово колотил с дикими воплями народ, испугал дракона и тот убрался восвояси. Иначе исчезло бы Солнце и погибла бы Поднебесная Империя (страшно подумать!) и все другие, варварские народы Земли (что, впрочем, несущественно и в обвинение не входит). Смерть государственным преступникам!»

Защита ничего не могла противопоставить — затмение действительно наступило, но не было предсказано. Несчастных казнили… А мы с вами по методу Шерлока Холмса сделаем выводы из этой печальной истории.

Вывод первый. Свыше четырех тысяч лет назад астрономия уже была настолько развита в Китае, что специалисты почти безошибочно предсказывали затмения Луны и Солнца. Если бы они ошибались хотя бы в одном случае из десяти, в Китае переказнили бы всех астрономов.

И в самом деле, китайцы уже тогда неплохо представляли себе движение Луны и Солнца по небесной сфере, что и нужно для предвычисления затмений.

Вывод второй. Астрономия находилась на государственной службе. Занятия наукой приравнивались к военным занятиям. Не потому ли Древний Китай — единственное из древних государств, не исчезнувшее с лица земли вслед за Шумерией, Вавилоном, Ассирией, Египтом, Карфагеном, Римом…

Вывод третий. Затмения предсказывают не за сутки, не за месяц, а по крайней мере на год-два вперед. Императору лучше об этом не говорить, а то уволит. Так что можно пьянствовать месяц подряд (больше тоже нельзя — заметят и выгонят), а потом наверстать упущенное. Значит, Хи и Хо НЕВИНОВНЫ! Просто астрономия была еще в зачаточном состоянии, и прогноз затмений изредка давал сбои. Подобное уже было немыслимо в цивилизованных странах со II века н.э. «Неожиданность» затмения перед битвой при Калке свидетельствует лишь о дикости большинства (но не всех!) русских князей того времени.


До Ньютона

Какие научные истины о форме и движении блуждающих светил были твердо установлены учеными античности (ограничимся Грецией, эллинистическим Египтом и Римом, где наука не была эзотерической, тайной, а была доступна любознательным свободным гражданам). Кстати, ученые той эпохи очень удивились бы постановке такого вопроса, никак не связывая между собой форму и движение планет. Но теперь мы знаем, что и то, и другое определяется гравитацией и посему ставим вопросы рядом.

1. Земля имеет форму шара. В тысячах книг вы прочтете десятки доказательств этого. Например: в море горизонт кажется круглым, где бы ни находился ваш корабль. Действительно, только шар обладает таким свойством. Находись мы на огурце, расстояние до горизонта было бы различно в разных направлениях. Но с какой точностью нам известна округлость горизонта? С очень небольшой. Только астрономические наблюдения подтверждали шарообразность Земли с высокой точностью.

Например, если вы равномерно идете точно на юг, Полярная звезда (точнее, полюс мира) равномерно опускается к горизонту, исчезает на экваторе, и вы видите равномерно подымающийся южный полюс мира. Первое определение размеров земного шара выполнил в III веке до н.э. александрийский ученый Эратосфен.

2. Античные ученые утверждали, что Солнце и Луна — шары. Что касается Луны, то тут были веские основания. На Луне нормальным невооруженным глазом видно много деталей, подчеркнем — неизменных. Поэтому ясно, что Луна обращена к нам одной стороной. Но что это — сторона плоского диска или шара, без телескопа не различить. Однако форма линии терминатора убедительно показывает, что к нам обращено полушарие.

Зато слепящий диск Солнца (последний термин употребляется в астрономии до сих пор) никак не выдает своей выпуклой формы.

Итак, древние на самом деле не знали форму Солнца. Почему же они так возлюбили шар и убедили себя в шарообразности светил? Во-первых, по аналогии с Землей и Луной. Но главная причина — религиозные и философские (короче — идеологические) догмы. Небо совершенно, небесные тела совершенны, совершенна форма их поверхности, что по пифагорейским представлениям равносильно сферичности. Редчайший в науке случай, когда предвзятая, не имеющая ни малейшей естественнонаучной опоры догма приводит к правильному ответу. Теперь сферичность Земли и других ближних небесных тел не нуждается в доказательствах: достаточно взглянуть на снятые из космоса фотографии и кинофильмы. Научный интерес представляют лишь малые отклонения от сферической формы.

3. Солнце относительно звезд для земного наблюдателя движется по большому кругу небесной сферы, получившему странное имя эклиптика, что означает круг затмений. Дело в том, что лунные затмения происходят как раз тогда, когда Луна в полнолуние попадает на эклиптику. Солнечные затмения тоже происходят на эклиптике, когда туда Луна попадает в новолуние и закрывает от нас Солнце. Но это тривиально: Солнце по определению всегда находится на эклиптике. Все же назвать солнечный путь эклиптикой — то же самое, что шоссе назвать «путем автокатастроф».

Движение Солнца неравномерно: зимой оно движется быстрее, летом — медленнее. Движение Луны сложнее. Чтобы описать его, астрономы изобрели могущественнейший прием, играющий в механике важнейшую роль и сегодня: разложение сложного движения на совокупность простых. Именно, Луна описывает большой круг, наклоненный к плоскости эклиптики примерно на 5°. Но сама эта плоскость вращается вокруг оси эклиптики по часовой стрелке (если смотреть с севера), делая полный оборот за 18,6 лет. Как и Солнце, по своему кругу Луна тоже движется неравномерно, вдобавок точка ее наибольшей скорости (перигей) движется против часовой стрелки, делая полный оборот за 9,6 лет.

Знали астрономы и более тонкие детали в движениях Солнца и Луны по небу, что позволяло им с удивлявшей современников точностью предсказывать солнечные и лунные затмения.

4. Пути планет по небу чертят столь замысловатый клубок, что поражает воображение, как древние смогли распутать его и построить непревзойденный полторы тысячи лет шедевр — теорию их движения относительно земного наблюдателя. И, как обычно, неблагодарные потомки ругали, и, бывает, ругают их до сих пор за то, что эта теория геоцентрична.

Повторю, что античные ученые с высочайшей степенью совершенства описали движение планет по небесной сфере в прошлом, настоящем и будущем относительно звезд для земного наблюдателя. Решать же, как планеты движутся на самом деле, они фактически оставили потомкам, так же как и поставленный лишь в XX в. вопрос, что же такое планеты на самом деле.

В теории движения планет, разработанной Гиппархом (II в. до н.э.) и доведенной почти до совершенства Клавдием Птолемеем (II в.н.э.) условно можно выделить два направления. Одно описывало движения малым числом сложно устроенных элементов, второе — большим числом просто устроенных элементов. Не будь провала средних веков, первое направление быстро привело бы к кеплеровскому эллипсу, второе — к ряду Фурье.

Опишем лишь более понятное второе направление.


Воображаемая точка Р1 равномерно с угловой скоростью ω1 движется по некоторой окружности радиуса R1. Воображаемая точка Р2 равномерно с угловой скоростью ω2 движется по окружности радиуса R2 с центром в точке Р1. И так далее. Всего имеется κ окружностей, и по последней из них движется само светило Р. Это может быть Луна, Солнце или любая из пяти известных древним планет. Описанные κ окружностей назовем эпициклами, хотя сами авторы именовали так все окружности, кроме первой — деферента.


Рис. Наблюдаемое петлеобразное движение внешней планеты воспроизводится ее равномерным круговым движением по эпициклу, центр которого равномерно движется по круговому деференту.

Как не очень трудно показать, при достаточно большом κ и хорошо подобранных параметрах системы (радиусы Rs, угловые скорости ωs, ориентации плоскостей эпициклов, т.е. долготы узлов Ωs и наклоны is, положение центра деферента, начальные положения точек Ps) эпициклическая модель сколь угодно точно описывает реальное движение планет. Самое интересное, что необходимое число эпициклов для каждой планеты невелико, если ограничиться точностью античных наблюдений в 0,2°: например, два эпицикла для Солнца и четыре для Марса. Так что миф о сложности системы Птолемея имеет лишь одно основание. Вплоть до Коперника включительно параметры модели из наблюдений определяли безобразно плохо, что и влекло массу ненужных эпициклов, не обеспечивающих тем не менее требуемой точности. Модель Птолемея — чудо человеческого разума, рядом с которой меркнут все семь чудес древнего мира, вместе взятые.

Начали греки и построение гелиоцентрической системы мира, описывающей в хорошем приближении, как движутся планеты «на самом деле», т.е. с точки зрения не земного, а удаленного наблюдателя, скажем, от звезды γ Дракона. Теперь, хоть и в ослабленной мере, мы имеем возможность взглянуть на Солнечную систему со стороны. Из дальнего космоса глазами «Пионеров», «Вояджеров», «Галилео», «Улисса», «Кассини» мы видим внутренние планеты, включая Землю с Луной, мчащимися вокруг Солнца. Гелиоцентрическая модель гораздо экономичнее описывает движения небесных тел и позволяет находить расстояния, недоступные в классической геоцентрической теории. С чисто научной точки зрения непонятно, почему была отброшена система Аристарха Самосского, который жил много раньше Птолемея и даже Гиппарха, в III в. до н.э., начал серьезную разработку гелиоцентрической системы мира, но был изгнан из Афин.

На небе, как на учебном пособии, простые траектории вокруг Солнца описывают Меркурий и Венера. Чтобы присоединить к ним Землю, Марс, Юпитер и Сатурн, нужен был гений Аристарха. Но как только идея высказана, она уже очевидна любому умному человеку. Только проклятием идеологических догм можно объяснить, что система Аристарха была объявлена неверной и даже вредной. Она была признана отвечающей действительности лишь через сто лет после смерти Коперника, т.е. тогда, когда от модели Аристарха почти ничего не осталось — она была заменена значительно более совершенной моделью Кеплера.

Модель Кеплера стала последней чисто математической, т.е. описывающей движение без объяснения его причин. В конце XVII в. одним из многочисленных следствий ньютоновской революции в естествознании стало объяснение законов Кеплера единым фундаментальным законом всемирного тяготения.


О науке

Древний Египет. Народ толпится у Храма бога Птаха. Сияет солнце. Пейзаж, как в «Аиде». Выходит Верховный жрец:

«Боги гневаются на вас! Вы погрязли в пороках! Вместо трудолюбия — лень. Пирамида, если считать от последней перестройки, выстраивается пятнадцатый год, а конца не видать. Ваши трудолюбивые предки, что ушли на Запад, делали больше за пять лет. Да что там, пятилетку они выполняли за четыре года! А ваша жадность? Личные интересы ставите выше общественных! Лишь бы набить живот. А где жертвы богам? Где приношения Храму? Я мог бы назвать еще мешок мелких преступлений: убийства, кражи друг у друга и т.д., но и этого достаточно. Взгляните!»

Театральным жестом показывает на Солнце. Народ подымает глаза и в ужасе замирает. Пылающий диск уменьшается. В отчаянии все падают ниц.

«Кайтесь! Молитесь Птаху, Хатор, Ра! Клянитесь трудиться, как велит моральный кодекс Строителя Пирамид! Не покладать рук от восхода до заката! Жертвуйте Храму! Все лучшее — богам и их детям! Клянитесь громче, и да услышат вас бессмертные боги!»

Долгий нечленораздельный, чередующийся с членораздельным, вой. Диск Солнца увеличивается, затмение кончается. Народ ликует — конец света отложен. Чаша «на воссоздание Храма Ра-Спасителя» быстро наполняется.

Какие выводы сделаем мы из этой обычной истории?

Вывод первый. Астрономия была достаточно развита в Древнем Египте. Примерно то же можно сказать и о древней Месопотамии, где также происходили подобные сценки.

Вывод второй. В отличие от Китая астрономия, да и вся наука, в Древнем Египте была не на государственной службе, а прозябала в храмах, была важной частью занятий жрецов и только жрецов.

Вывод третий. Астрономия целиком (а другие науки — частично) была эзотерической, т.е. тайной. Жрецы тщательно скрывали свои занятия наукой, выдавая за общение с богами свои наблюдения светил, а за записи воли богов — свои вычисления моментов затмений путем решения алгебраических и тригонометрических уравнений (увы, дифференциальных им боги не открыли). Если бы кто-то из жрецов прочел бы публичную лекцию «Солнечные и лунные затмения, их причины и следствия», он не дожил бы до следующего дня. Убийства за нарушение эзотеричности были в то время обычным явлением. Ведь трудно удержаться и не рассказать хоть кому-то тайну, которой владеешь. Теперь эзотеричность науки осталась только в ее военной части. Желаю вам дожить до времени, когда она исчезнет совсем. А если вы увидите или услышите о «докторе эзотерических наук», отнеситесь к этому как к вредному, а не полезному ископаемому.


Всемирное тяготение

Согласно Исааку Ньютону, любые две материальные частицы Q1 и Q2 притягиваются друг к другу с силой F, прямо пропорциональной массам m1, m2 и обратно пропорциональной квадрату расстояния r.

F=Gm1m2 /r2          (1).

Коэффициент пропорциональности G называют постоянной тяготения или гравитационной постоянной.

Какой контраст с прошлым! Вместо непонятно откуда взятых нагромождений кругов — простая, коротенькая и кристально ясная формула. Все сложные движения небесных тел, и не только в крошечной Солнечной системе, а во всей Вселенной, предстали математическими следствиями соотношения (1)! С точки зрения математики, запись (1) приводит к дифференциальным  уравнениям движения небесных тел. По определению, дифференциальные уравнения механики представляют собой закон, по которому положениям и скоростям всех небесных тел ставятся в соответствие их ускорения. Скорость v любого тела есть вектор, равный производной по времени, от вектора положения r. Вектор ускорения w есть скорость изменения скорости, т.е. производная от скорости или, что то же, вторая производная от вектора положения. А сила и ускорение отличаются лишь скалярным множителем — массой.

Мы не будем здесь составлять и решать дифференциальные уравнения. Дадим лишь пояснения. Дифференциальное уравнение всегда имеет бесконечно много решений. Именно, фиксируем какой-либо момент времени t0. Положения и скорости всех тел в этот момент могут быть произвольными. Если их закрепить, то положения всех тел для любого времени t как в будущем, так и в прошлом определяются однозначно. В астрономии принято t0 называть начальной эпохой (хотя ничего ни первоначального, ни эпохального здесь нет), положения и скорости — состоянием системы, положения и скорости в начальную эпоху — начальными данными. Таким образом, состояние системы однозначно определяется начальными данными.

В качестве простейшего примера приведем движение по прямой по инерции как решение дифференциального уравнения движения частицы в бессиловом поле. Силы нет, ускорение равно нулю и уравнение тривиально:

ω=0.   (2)

Его общее решение описывает прямолинейное и равномерное движение:

υ=υ0

r=r0+υ0(t-t0),   (3)

где индексом 0 помечены положение и скорость в начальную эпоху. То, что линейные функции времени (3) удовлетворяют уравнению (2), очевидно. То, что других решений нет, вытекает из теоремы, согласно которой интеграл определяется однозначно с точностью до постоянного слагаемого.

Вернемся к Ньютону. Формула (1) была ясна ему (и не одному ему) интуитивно, по аналогии со светом. Освещенность от точечного источника в среде без поглощения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния. С чего бы гравитации подчиняться другому закону? Но интуиция может подвести даже гения (таких случаев история знает сколько угодно). Главная заслуга Ньютона — доказательство закона тяготения. Ученый выбрал метод, похожий на доказательство от противного. Именно, он выводит проверяемые следствия (1) и убеждается, что все они согласуются с наблюдениями в пределах ошибки измерений. Если хоть раз натолкнуться на разительное противоречие, то закон тяготения надо похоронить. Если нет… Математик скажет, что из последнего ничего не следует. «Противное» может лишь опровергнуть ваше предположение, но не доказать его. Но астрономия, физика, все естественные науки в корне отличны от математики. Закон (1) проверялся тысячами ученых на миллионах объектов во всех частях Вселенной в самых разных условиях и всегда выходил победителем. Так что истинность его установлена с наивысшей степенью надежности.

Тут самое время сделать существенную оговорку. Согласно любой из развитых философий наши знания отражают действительность не точно, а с некоторой погрешностью. Прогресс науки заключается, в частности, в том, что эта погрешность усилиями ученых уменьшается, но нулем ее сделать невозможно. Некоторые отклонения в движениях светил от ньютоновских правил все же были обнаружены, что в конце концов привело к созданию А. Эйнштейном более совершенной теории тяготения, включающей ньютоновскую в предельном случае малых (по сравнению со скоростью света) скоростей и сравнительно слабых полей тяготения. Модель Эйнштейна получила странное имя — Общая теория относительности; о ней мы поговорим позже. А пока заметим, что в подавляющем большинстве случаев релятивистскими поправками (от лат. относительными поправками, что сбивает с толку настолько, что русский перевод никогда не употребляется; имеются в виду поправки, вводимые теорией относительности, общей или частной) можно пренебречь и считать ньютоновскую теорию абсолютной истиной. Рассмотрим, по каким траекториям будут тогда двигаться небесные тела.


Движение в главном поле

Траектории небесных тел сложны и запутаны. Чтобы в них разобраться, поступим согласно канонам теории возмущений. Именно, выделим главные силы, действующие на систему и пренебрежем всеми остальными. Полученную упрощенную систему назовем невозмущенной. Решим ее. А уже потом добавим другие, малые силы. А малое воздействие, — как принято говорить, малое возмущение, — учесть значительно легче (об этом позже).

Массы планет значительно меньше массы дневного светила. Юпитер в тысячу раз легче Солнца, Сатурн в три раза легче Юпитера, Земля в сто раз легче Сатурна… Поэтому в первом приближении можно считать, что на каждую из планет действует только притяжение Солнца.

Еще более идеализируем задачу, предполагая планету материальной частицей пренебрежимо малой массы. Но Солнце считать «частицей» нельзя, оно имеет внушительные видимые размеры. Примем, что Солнце — идеальный шар, плотность которого зависит лишь от расстояния до его центра. Как доказал И. Ньютон, шар притягивает внешние частицы как материальная точка той же массы, помещенная в его центре. Мы пришли к модельной задаче одного притягивающего центра. Каковы траектории частицы в поле притяжения массивной центральной точки S? Как показал Ньютон, возможны четыре типа орбит:

1. Луч или отрезок, лежащие на прямой L, проходящей через центральное тело S. Этот случай имеет место, если начальная скорость направлена точно к S или точно в противоположную сторону. Это свойство сохраняется во все время движения, что лишний раз подчеркивает условность термина «начальная». Остальные три типа орбит — плоские кривые, не содержащие прямолинейных участков.

2. Эллипс (рис.2). Центральное тело S, как ни странно это звучит, находится не в центре эллипса, а в одном из двух его фокусов. Отличие эллипса от окружности измеряется эксцентриситетом е — отношением расстояния между фокусами к длине большой оси. Эксцентриситет окружности равен нулю. Эллипс тем более вытянут, чем ближе е к единице.


Рис.2


3. Парабола (рис.3). По параболе частица уходит в бесконечность. Скорость частицы уменьшается, неограниченно приближаясь к нулю. Фигурально выражаясь, частица уходит в бесконечность и останавливается там.


Рис.3.


4. Гипербола (рис.4). По гиперболе частица уходит в бесконечность, приближаясь к некоторой прямой, асимптоте. Скорость частицы приближается к некоторой положительной величине υ∞— скорости на бесконечности, оставаясь все время больше нее.


Рис.4.

По какой из трех кривых будет двигаться частица зависит от полной механической энергии Е единицы массы, включающей в себя кинетическую Ек и гравитационную потенциальную Ер. Поскольку трения нет, то Е сохраняется во все время движения. Оказывается, частица движется по эллипсу, если Е<0; по параболе, если Е=0; по гиперболе, если Е>0. Напомню, что потенциальная энергия имеет смысл с точностью до постоянного слагаемого. В физике и астрономии это слагаемое принято фиксировать условием Ер=0, когда частица находится бесконечно далеко от S.

При таком соглашении

Ек=υ2/2    и   Ер=—К2/r,     (4)

где К =√GM, а М — масса S. Если расстояния измерять в километрах, время — в секундах, то К=364305, если S — Солнце; К = 631,35, если S — Земля. На практике часто вместо Е используют более наглядную величину — скорость υ=√2Ек. Критическому значению Е=0 отвечает вторая космическая скорость υII (называемая также скоростью убегания или параболической скоростью). Понятно, что υII — не число, а зависящая от расстояния до S величина: скажем, для спутника Земли υII=11 км/с вблизи поверхности планеты, но υII=1,5 км/с у орбиты Луны. Полезно знать, что первая космическая (круговая) скорость υI и параболическая скорость υII различаются только множителем √2: υII=υI√2≈1,41υI

Между круговой и параболической скоростями есть принципиальная разница. Чтобы двигаться по окружности, круговую скорость следует направить перпендикулярно радиусу-вектору, соединяющему центральное тело и частицу. Чтобы уйти на бесконечность, достаточно развить параболическую скорость; при этом ее направление безразлично, лишь бы избежать столкновения с S.

За исключением специального случая (когда скорость направлена точно к S или точно в противоположную сторону) орбиты оказались кривыми линиями. К тому же, движение по орбитам неравномерно. Самая большая скорость — в перицентре (ближайшей к S точке орбиты), и чем дальше от перицентра, тем она меньше. Наименьшая скорость в случае эллипса — в апоцентре (наиболее удаленной от S точке орбиты).

Дадим количественные соотношения. Расстояние rр от S до перицентра выражается через большую полуось а (среднее расстояние от движущегося тела до S) и эксцентриситет е по формуле  rp=а(1—е). Расстояние rа от S до апоцентра rа=а(1+е). Скорости в экстремальных точках (апсидах) эллипса составляют:

υp=υI(a)√(1+e)/√(1—e)    и    υa=υI(a)√(1—e)/√(1+e)

Здесь υI(a) — круговая скорость на расстоянии от a до S. В свою очередь υI убывает обратно пропорционально квадратному корню из расстояния до S: υI=K/√r.

Между большой полуосью и периодом обращения существует связь, открытая еще И. Кеплером в начале XVII в.:

Р = 2π(а3/2/K)       (5)

Разумеется, выражение постоянной К через G и М — заслуга Ньютона.

Если эллипс близок к окружности, различие скоростей в разных точках орбиты невелико. У Земли в ее движении вокруг Солнца е=0,016, υp=31км/с, υa=29км/с. У кометы Галлея эллипс очень вытянут: е=0,96; так что υp=51км/с, υa=1км/с. Такой характер ускорений и замедлений на орбите понять легко, если воспользоваться аналогией с вращением грузика на стержне вокруг горизонтальной оси. Внизу скорость наибольшая, наверху — наименьшая. В нашей задаче «вниз» — это направление к притягивающему центру, «вверх» — прочь от него. Причина изменений скорости и для планеты, и для маятника одна: закон сохранения энергии. «Наверху» потенциальная энергия гравитации максимальна, «внизу» — минимальна. Для кинетической энергии соотношение противоположно.

Набор орбит оказался небольшим. В век космонавтики мы можем выбирать высоту или период обращения искусственных небесных тел в широких пределах, но в силу (5) по отдельности, а не вместе. Наименьший период обращения ИСЗ — полтора часа — соответствует круговой орбите минимальной высоты. Максимального периода теоретически нет, но подавляющее большинство ИСЗ имеют период не более 24 час.


Притяжение и форма небесных тел

Многие искусственные спутники Земли (ИСЗ) летают низко, почти царапая Землю: в масштабе школьного глобуса (1:50000000) не далее сантиметра от него. Тут уж даже Землю шаром считать нельзя, хоть на глазок это и незаметно. А вот Юпитер и особенно Сатурн обладают отчетливо видимым сжатием. Одним словом, чтобы идти дальше, надо разобраться с формой небесных тел и их притяжением.

Начнем с последнего. Пусть нам известна форма и строение протяженного небесного тела Т. Как определить силу тяготения, с которой Т притягивает какую-либо частицу Q? Перейдем к ускорению — оно не зависит от массы пробной частицы (уникальное свойство гравитационного поля, открытое Г. Галилеем). Поэтому можно считать, что Т создает вокруг себя (и в себе самом тоже) поле ускорений, математически точное описание гравитационного поля. Как найти его? Разобьем мысленно Т на столь малые кубики, чтобы их размерами можно было бы пренебречь по сравнению с расстоянием до Q (рис.5).


Рис.5

Вектор ускорения ws, сообщаемого Q со стороны s-гo кубика, равен согласно (1)

ws=—(Gms/rs3)rs     (6)

Поясним, откуда взялся минус и куб в знаменателе. Модуль ускорения равен Gms/rs2, и он умножен на единичный вектор —rs/rs направления от массы ms к точке Q (рис.5). Полное ускорение равно векторной сумме (6) по всем кубикам. Разумеется, так получается приближенная величина. Чтобы вычислить точную, нужно перейти к пределу, устремляя ребро кубика к нулю. В пределе получим тройной интеграл по телу Т. С помощью хорошего компьютера интеграл взять нетрудно. Но ведь даже для данного тела его нужно считать в огромном количестве точек пространства. Чаще всего идут другим путем. Как уже говорилось, Ньютон сумел вычислить интеграл для шара со сферическим распределением плотности и убедился, что внешние частицы шара притягивают в точности как материальная точка той же массы, помещенная в его центре. А дальше П.-С. Лаплас предложил следующую схему определения гравитационного поля Т. Во-первых, проще вместо векторного поля ускорений иметь дело со скалярным полем гравитационной потенциальной энергии Ер единицы массы Q. Оба поля однозначно определяют друг друга. Во-вторых, представим поле в виде ряда, т.е. суммы бесконечного числа слагаемых:

Ер=V0+V1+V2+…      (7)

Здесь начальное слагаемое описывает притяжение шара с центром в центре масс Т и нам уже известно из формулы (4): V0=—К2/r. В отличие от силы, потенциал шара убывает обратно пропорционально первой степени расстояния от центра масс Т. Следующие слагаемые Vs убывают обратно пропорционально rs+1, причем V1=0. Если Q далеко, то достаточно взять несколько первых членов (7) или даже только начальный член, чтобы получить удовлетворительную точность. Иными словами, гравитационное поле любого тела с удалением от него все больше напоминает поле шара, в полном соответствии с наблюдением древних софистов, что издали и квадратная башня кажется круглой. Для близких Q (например, если Т — Земля, Q — ИСЗ) для высокоточного определения гравитации надо брать десятки и сотни слагаемых. Каждое из них представляет не очень сложную функцию координат точки Q. Например,

V2=(A1x2+A2y2—(A1+A2)z2+A3xy+A4yz+A5zx)/r5

Важно, что Vs содержит числовые коэффициенты. Например, в V2 их пять: A1÷А5. Эти коэффициенты можно определить, измеряя гравитационный потенциал, или ускорение на поверхности тела или вблизи нее. А можно следить за движением его искусственных спутников. В любом случае мы получаем систему многих алгебраических уравнений со многими неизвестными (коэффициентами типа As). Ее решение непросто, но современная математика и вычислительная техника с этим справляется.

Итак, мы описали два способа представления гравитационного поля любого тела: тройным интегралом и рядом Лапласа. Существует еще несколько способов, и в каждой конкретной задаче можно выбрать оптимальный.

Перейдем к вопросу о форме, которую придает гравитация небесному телу. Пусть выполнены следующие три допущения. Во-первых, тело изолировано и компактно, т.е. никакие другие тела на него не действуют, а самогравитация значительна. Во-вторых, тело находится в жидком, газообразном или пластическом состоянии. В третьих, в теле нет источников энергии. Насколько реальны эти допущения?

1. Полной изолированности, конечно, нет. В качестве примера сравним силы, с которыми притягивают каждого из нас Земля (F1) и Луна (F2). В подлунной точке (там, где Луна видна в зените) в момент, когда Луна в перигее своей орбиты, F2 максимальна. Но и тогда F2/F1≈4×10-6. На самом деле влияние Луны на форму Земли еще меньше. Именно оно вызывает приливы, о чем еще будет рассказано. Сейчас достаточно заметить, что изолированность в Солнечной системе выдержана в очень хорошем приближении.

2. Солнце состоит из газа, планеты-гиганты тоже, с возможным включением жидкой и твердой фазы в центральных слоях, что несущественно. Земля же тверда, и только в центральной части присутствует жидкая фаза. Но на длительные воздействия Земля отвечает как пластическое тело, течет, как воск. — А горы? — спросите вы. Да, некоторые напряжения твердая земля может выдержать. Горы не сплющиваются, впадины не заполняются у нас на глазах. Но высота гор не может превзойти значения порядка 10 км, иначе давление превысит критическое, вещество подошвы станет пластическим, начнет расползаться под действием веса, и в результате высота горы уменьшится.

Подобная пластичность наблюдается у всех больших тел, вплоть до 500 км в диаметре. У малых тел, меньших 200 км в диаметре, гравитация незначительна, предположение пластичности не выполняется. Промежуточный случай 200-500 км с трудом поддается анализу, поскольку нужно знать древнюю историю тел. Если они подвергались сильному нагреву, то в это время были текучими и успели принять форму, диктуемую гравитацией. В противном случае они представляют собой бесформенные глыбы.

3. У планет земной группы, спутников, малых планет внутренние источники энергии существуют в виде рассеянных — в основном в коре — радиоактивных элементов. Но их энерговыделение крайне незначительно и может вызвать перемешивание вещества со скоростями разве что в сантиметры за год. Юпитер выделяет тепло за счет продолжающегося сжатия. Это приводит к конвекции вещества и дифференциальному вращению (период оборота вокруг оси зависит от широты и глубины). Солнце и большинство нормальных звезд спокойно выделяет энергию ядерных реакций, происходящих в центральной части. В результате мы наблюдаем конвекцию и дифференциальное вращение, как у планет группы Юпитера. Это вносит незначительные поправки в чисто гравитационную форму небесных тел.

Можно заключить, что все три предположения выполняются для крупных тел Солнечной системы и для большинства звезд. Хотя бы одно из них неверно для тесных двойных звезд, туманностей и молекулярных облаков, мелких (менее 200-300 км в диаметре) тел, бурно выделяющих энергию звезд. Эти случаи исключим из рассмотрения. Какую форму примет самогравитирующее неподвижное небесное тело? Без всяких вычислений ясно, что форму шара, причем плотность вещества будет зависеть лишь от расстояния до центра шара, убывая от центра к краю. Всякое поднятие над поверхностью должно расползтись, выемка — заполниться, всякое более тяжелое включение должно опуститься, более легкое — всплыть. А нет ли еще каких-либо неожиданных экзотических фигур равновесия неподвижного тела? Нет, и это доказал наш великий соотечественник А.М. Ляпунов (1857—1918), петербургский академик. Как обычно, доказательство несуществования оказалось очень сложным. Стоило ли вообще им заниматься? Стоило, ведь интуиция может подвести, как это видно на примере эллипсоидов Якоби и груш Пуанкаре (см. ниже). Вот откуда шарообразность Луны, Земли, Солнца и множества других небесных тел: правит бал гравитация, а не мифическое совершенство небес.

Теперь включим вращение. В наших предположениях тело будет вращаться вокруг неподвижной оси как целое. Такое вращение называют твердотельным: тело жидкое, но вращается, как будто оно твердое, так что расстояния между частицами неизменны. Действительно, всякие внутренние течения без источников энергии должны в конце концов затухнуть из-за трения.

Раз вращение твердотельно, естественно рассматривать положение каждой частицы в системе отсчета, жестко связанной с небесным телом, вращающейся вместе с ним. Именно такая система естественна для всех, кроме космонавтов. Сидя на стуле, мы считаем себя неподвижными, хотя вертимся вместе с Землей с угловой скоростью 1 оборот в сутки, чему соответствует линейная скорость на экваторе 460м/с (в Петербурге она снижается до 230м/с). Однако вращающаяся система, как принято говорить в физике, неинерциальна. Это значит, что правильное описание движений в такой системе достигается введением сил инерции. В случае равномерного вращения вокруг неподвижной оси таких сил две: кориолисова и центробежная. Кориолисова действует лишь на движущиеся в нашей системе частицы и исчезает, если они не перемещаются друг относительно друга. Центробежная направлена прочь от оси вращения (правильнее было бы говорить об «осебежной» силе, но так не принято) и сообщаемое ею ускорение равно ω2R, где ω — угловая скорость, R — расстояние до оси. Частица ощущает лишь векторную сумму двух сил: тяготения и центробежной. Сумма эта называется силой тяжести. Направление последней воспринимается как «низ», противоположное — «верх».

Поверхность находящейся в равновесии фигуры должна быть перпендикулярна силе тяжести. Тогда маленький участок поверхности кажется горизонтальным. В противном случае этот участок будет наклонным, и жидкость потечет сверху вниз. Ясно, что шар уже не может служить фигурой равновесия. Она должна быть сжата у полюсов (рис.6). Чтобы найти поверхность тела T, нужно перевести выделенные курсивом слова на язык уравнений и решить их. Вы знаете немало примеров того, как коротенькая формула заменяет долгое и неуклюжее словесное описание. Здесь ситуация противоположна: коротенькая фраза, выражающая физический смысл явления, приводит к сложным и громоздким уравнениям. Ведь тяготение описывается тройным интегралом по телу, форма которого неизвестна! Задача о форме небесных тел далека от окончательного решения, хотя основные результаты получили еще классики: И. Ньютон, К. Маклорен, Дж. Дарвин (Великобритания), П. Лаплас, Э. Рош (Франция), К. Якоби, Л. Лихтенштейн (Германия), П.Л.Чебышёв, А.М. Ляпунов (Россия), С. Чандрасекар (Индия, США) и другие.


Рис.6. Силы, действующие на поверхностную частицу тела во вращающейся вокруг оси z системе отсчета: F1 — сила тяготения, F2 — центробежная сила, F — результирующая сила тяжести. Слева — сечение шара, справа — фигуры равновесия; ГГ — линия математического горизонта.


Не слишком быстро вращающееся однородное тело принимает форму сжатого эллипсоида вращения (эллипсоида Маклорена). Его параметры — большая и малая полуоси — однозначно определяются массой и угловой скоростью вращения (рис.7). Если вращать быстрее, появляются трехосные эллипсоиды (эллипсоиды Якоби). Их открытие — а они появились как решение некоторой системы уравнений — повергло ученый мир в изумление. Интуиция ясно говорила, что однородное вращающееся тело должно быть телом вращения, каламбур воспринимался как тавтология! Ан нет! Вращение тела не обязано давать тела вращения! Потом были открыты еще более экзотические тела: вращающиеся на боку груши и даже тела с волнистой поверхностью. Правда, подобная экзотика существует только на бумаге (употребим старое выражение, как-то неловко звучит «на электронных носителях»). Реальные тела вертятся медленно, и для них выполнена теорема Ляпунова: фигура равновесия осесимметрична и обладает экватором, т.е. каждое меридиональное сечение одинаково, северное и южное полушария одинаковы. Даже скучновато немного. Но природа изощренна и сумела обойти ограничения Ляпунова в тесных двойных и полуразделенных системах, где нарушено условие изолированности.


Рис.7. Формы вращающихся тел. Указаны последовательности фигур равновесия несжимаемых, «жидких» тел (сплошные линии) и сжимаемых, газовых тел (пунктир). Оси вращения у всех фигур на рисунке расположены вертикально.


Небесные тела лунных и более размеров резко неоднородны: плотность в центре существенно превышает плотность у поверхности. Для Земли — на порядок, для Юпитера — на 4-5 порядков, для Солнца — на 7 порядков. Так что однородные фигуры равновесия служат лишь крайне упрощенными моделями. Но в случае медленного вращения форму поверхности можно представить аналогичным (7) рядом Ляпунова:

ƒ(φ)= R[ƒ0(φ)+ƒ1(φ)+ƒ2(φ) +…]       (8)

Тут требуются пояснения. Форму поверхности вращения естественно задавать уравнением r=ƒ(φ), связывающим широту φ с расстоянием от поверхности до центра масс r функциональной зависимостью ƒ. Таков смысл левой части (8). В правой части R — характерный размер тела, например, радиус равновеликого шара. Тогда ƒ0 тождественно равна единице, так что в нулевом приближении тело является шаром r=R — const. Остальные члены ряда дают малые поправки, причем ƒs пропорциональна qs. Здесь q=ω2R3/(GM) представляет собой безразмерный малый параметр, равный отношению центробежной силы к силе тяготения на экваторе шара массы М и радиуса R. Для Земли, Юпитера, Солнца q равно соответственно 0,0034; 0,083; 0,00002. Наибольшим значением q=0,139 в Солнечной системе обладает Сатурн.

Функция ƒ1 имеет вид ƒ1(φ)= Aq(1—3sin2φ), где число А определяется распределением масс внутри тела Т. Для однородного тела А=5/12. Для противоположного крайнего случая сосредоточенной в центре массы, окруженной невесомой атмосферой, А=1/6. Остальные ƒs можно найти последовательно методом Ляпунова.

Функция ƒ, представляющая поверхность сжатого эллипсоида вращения Е, также может быть разложена в ряд (8), причем ƒ0=1. ƒ1=е2(1—3sin2(φ))/6, где е — эксцентриситет меридионального сечения. Подбирая его так, чтобы Aq=е2/6, добьемся совпадения Rƒ0 и Rƒ1 у Т и Е. Таким образом, любая фигура равновесия в нулевом приближении — шар, в первом — сжатый эллипсоид вращения.


Движение ИСЗ

Как рассчитывают трассы небесных тел в сложных гравитационных полях? Простых формул, подобных выведенным Кеплером и Ньютоном для описания движения частицы вокруг шара, для сложных полей не существует. Более того, за редчайшими исключениями вообще не существует абсолютно точных формул. Это следствие реальной сложности движений. Какими же средствами располагает современная наука? В самых общих чертах их можно разделить на две группы.

1. Аналитические методы. С их помощью сложное движение можно представить как наложение бесконечного числа простых движений. До предела упрощенный пример — знакомая по школьным учебникам формула суммы бесконечного числа членов геометрической прогрессии

1/x=1+(1-x)+(1-x)2+(1-x)3+…     (9)

Предположим, что марсиане умеют складывать, вычитать и умножать числа, представленные десятичными дробями, и знают, что есть и обратное умножению действие — деление, но делить не научились. Так вот, левую часть (9) марсиане смогут вычислить, складывая большое количество чисел из правой части, а каждое из них получается умножением (1—х) самого на себя. Уже на этом простейшем примере видны две особенности аналитического подхода.

Во-первых, для получения точного ответа нужно проделать бесконечно много операций, что невозможно. Но для достижения заданной точности нужно произвести уже конечное число операций. Последнее тем больше, чем выше требования к точности. Пусть, например, х=1,1. Чтобы ошибка (9) составила не больше 0,01, следует взять два слагаемых справа; четыре слагаемых гарантируют погрешность менее 0,0001.

Во-вторых, формулы аналитического метода работают не для одного какого-то набора значений переменных величин, а для любых их значений из некоторой области. Так, равенство (9) можно применять не только при х=1,1, а для всех значений х от нуля до двух. Но для х=—1,5 формула (9) не годится и приходится прибегать к другим соотношениям. Напимер, для —2<х<0 можно применить формулу 1/х=—[1+(1+х)+(1+х)2+(1+х)3+…]. В небесной механике орбиты разного типа также описываются разным набором аналитических формул.

2. Численные методы представляют собой вычисление положения и скорости частицы в последовательные моменты, разделенные небольшими промежутками времени, по соответствующим значениям этих величин и действующих сил в предшествующие моменты. Такой путь прост и универсален. Большое количество вычислений в век электроники — недостаток не самый важный. Хуже, что получается лишь одна траектория и даже для соседней все вычисления приходится выполнять с самого начала.

На практике нередко комбинируют аналитический и численный методы, что привело к впечатляющим успехам в описании движения планет, их спутников, комет, астероидов. Но мы нарушим исторический порядок, обратившись сначала к искусственным небесным телам. ИСЗ ближе к нам и двигаются сравнительно просто. Естественно переходить от простого к сложному.

Свой виток вокруг планеты спутник проходит почти точно по эллипсу, но виток не замкнется. Следующий оборот будет отличаться от предыдущего примерно на 1/300, так как настолько притяжение Земли вблизи ее поверхности отличается от притяжения шара. За триста оборотов (примерно месяц для близких ИСЗ) орбита может измениться до неузнаваемости. Меняется не все. Истинное движение мало (в пределах 10км) отклоняется от движения по некоторому опорному эллипсу. Опорный эллипс имеет фиксированные размер, форму и наклон к плоскости экватора, но вращается вокруг двух осей одновременно. Во-первых, линия апсид (соединяющая перигей и апогей) поворачивается в плоскости эллипса с угловой скоростью ω1. Во-вторых, сама эта плоскость поворачивается вокруг полярной оси с угловой скоростью ω2. В терминах небесной механики перицентр испытывает вековое возмущение со скоростью ω1 а восходящий узел орбиты на экваторе — вековое возмущение со скоростью ω2. В результате траектория типичного ИСЗ приобретает вид запутанного клубка, изображенного на рис.8. Описанные свойства надо учитывать при проектировании, чтобы спутник с успехом выполнял свою работу.


Рис.8


Возьмем для примера ИСЗ «Молния». Его основное назначение — осуществлять связь между западом и востоком России и СНГ. Следовательно, орбита должна быть достаточно высокой, чтобы сверху была видна значительная часть территории. Связь подчиняется суточному ритму (скажем, телепередача «Время» транслируется в одно и то же время в каждой зоне вещания), так что период ИСЗ обязан укладываться в сутках целое число раз. С учетом предыдущего условия получаем для периода одно из трех значений: 6, 8, 12 часов (особый случай 24 часов надо рассматривать отдельно). Наклон i плоскости орбиты к экватору должен лежать в пределах 40°÷80° для покрытия широтной зоны, в которой расположен СНГ. Эксцентриситет следует взять близким к единице и направить апогей в Северное полушарие, тогда спутник будет почти все время в рабочей зоне, быстро пролетая Южное полушарие (вспомните о скоростях в разных точках эллипса). В результате отпадают периоды в 6 и 8 часов, так как для них эксцентриситет нельзя сделать большим, ведь внутри эллипса должна еще поместиться Земля с ее атмосферой. Остается период в 12 час.

Пока мы ограничивались рамками задачи одного притягивающего центра. Но «Молния» рассчитана на долгие годы работы, и выбранная орбита должна быть устойчивой на многих тысячах витков. Поэтому необходим учет несферичности Земли, что ставит под сомнение весь проект. Вращение линии апсид с угловой скоростью ω1 через 180°/ω1 суток (если ω1 измерять в градусах за сутки) повернет апогей в Южное полушарие, и наша «Молния» станет обслуживать Австралию. Однако величина ω1, как показывают расчеты, содержит множитель (4—5sin2i) и обращается в нуль при i=63,4°. Такой наклон нас вполне устраивает. Реальные «Молнии» двигаются по орбитам с близким к указанному наклоном. Орбита «Молнии» (рис.9.) отличается от изображенной на рис.8. тем, что все апогейные точки располагаются на окружности, имеющей широту около 63°.


Рис.9

По рис.9 может показаться, что из-за вращения плоскости орбиты вокруг полярной оси территория России постепенно будет уплывать из-под орбиты «Молнии». Это, конечно, не так. На рисунке, в отличие от кино, не изобразить вращения планеты. Земля вертится, делая один оборот в то время, за которое спутник делает два оборота. Из двух витков «Молнии» лишь один — рабочий. Поэтому (хотя не только поэтому) надо иметь несколько таких спутников.

Обратимся к 24-часовым спутникам. Этот вариант активно используется в системах спутниковой связи многих стран — но только в круговом экваториальном варианте е≈0, i≈0. Для земного наблюдателя спутник на небе кажется неподвижным, «висящим» над одной и той же точкой земной поверхности. Влияние несферичности Земли, а также притяжение Луны и Солнца медленно уводит ИСЗ от «точки стояния», в результате чего приходится время от времени корректировать его орбиту.

Для спутников «Молния» выбраны орбиты, на которых ω1=0. Активно используются в космонавтике и орбиты, на которых ω2=0. Это полярные орбиты (i=90°), единственные, где спутник может быть виден в зените на полюсах.

Еще более интересен пример широко применяемых траекторий, для которых ω2=0,986°/сут. Именно с такой угловой скоростью Земля обращается вокруг Солнца. Поэтому рассматриваемые орбиты называются солнечно-синхронными. Линия Солнце-Земля составляет с плоскостью орбиты постоянный угол. В частности, может совпадать с ней, вследствие чего спутник пролетает над каждым районом земной поверхности почти в одно и то же местное солнечное время. Это весьма удобно при сравнении фотоснимков, полученных в разные дни спутниками, исследующими Землю.


Пассивное движение в системе Земля-Луна

Пусть спутник Земли поднят так высоко, что может сближаться с Луной. В результате наложения земной и лунной гравитации разнообразие орбит становится поистине фантастическим. Никто пока не сумел перечислить все их типы. Рассмотрим один интересный класс замкнутых периодических орбит. Для простоты будем считать лунную орбиту окружностью.

Сначала надо ввести геоцентрическую систему отсчета, вращающуюся вместе с Луной. В этой системе Луна неподвижна, неподвижен и центр Земли, а сама Земля вращается с периодом в 24 ч. 50 мин. Этот период легко определит каждый из вас. В ясную лунную ночь отметьте положение тени какого-либо неподвижного предмета и засеките время. В следующую ясную ночь тень будет на том же месте через 24 ч. 50 мин. Введенная система отсчета кажется несколько искусственной. Но это не совсем справедливо. Такая система естественна для селенитов (воображаемых жителей Луны и будущих обитателей лунных баз). В их небе Солнце всходит и заходит. А Земля висит неподвижно, показывая одни и те же города каждые 24 ч. 50 мин. Здесь можно напомнить о том, что период вращения Земли вокруг оси равен 23 ч. 56 мин. Это звездные сутки. Для земного наблюдателя через это время каждая звезда возвращается на прежнее место, например, точно на небесный меридиан. Относительно Солнца период вращения Земли равен 24 ч. Это солнечные сутки. Наконец, относительно Луны — 24 ч. 50 мин. Этот период можно бы назвать лунными сутками Земли. Именно с таким периодом повторяются условия передач земных радиостанций для селенитов.

Периодические орбиты — это траектории, замыкающиеся в нашей вращающейся вместе с Луной системе отсчета после истечения некоторого периода Т. Простейшими периодическими орбитами будут положения равновесия. Ведь точечную траекторию можно считать периодической при произвольном периоде Т. Как показали Л. Эйлер и Ж. Лагранж, в нашей системе существует ровно пять положений равновесия, так называемых точек либрации L1—L5 (рис.10). Три из них, найденные Эйлером, лежат на прямой Земля-Луна. Одна из них, находящаяся между Землей и Луной точка либрации L1, представляет и практический интерес. В будущем ее предполагается использовать как место перевалочной базы при освоении Луны. Точки либрации L1, L2, L3 неустойчивы. Поэтому время от времени необходима незначительная коррекция космического аппарата (КА), находящегося в окрестности L1, во избежание его ухода от L1 на неприемлемое расстояние.


Рис.10

Не исключено и создание базы в одной из открытых Лагранжем точек L4, L5, лежащих в плоскости лунной орбиты и образующих вместе с Землей и Луной два равносторонних треугольника. Это тем заманчивее, что L4 и L5 оказались устойчивыми, в отличие от L1, L2, L3. Неучтенное притяжение Солнца все же может вывести КА из приемлемой окрестности L4 или L5. Так что коррекция орбиты может понадобиться и здесь, но гораздо реже.

Вокруг каждой из точек L1—L5 существуют и «настоящие» периодические орбиты. Траектории вокруг лежащей дальше Луны точки L2, похожие на овал в плоскости, перпендикулярной прямой Земля-Луна, получили особое наименование гало-орбит. В будущем они сыграют важную роль в освоении Луны. На гало-орбитах разместятся спутники-ретрансляторы, позволяющие поддерживать радиосвязь между Землей и базой, расположенной на обратной стороне Луны.

На рис.11 изображена более замысловатая периодическая орбита, показывающая их богатое разнообразие. КА на такой орбите попеременно является то спутником Земли, то спутником Луны.


Рис.11

Задача о движении КА в гравитационном поле Земли и Солнца математически тождественна задаче о движении в поле Земли и Луны. Тут тоже существуют периодические орбиты и точки либрации. Более того, они уже используются на практике. Космический аппарат SOHO для исследования процессов на Солнце находится все время на гало-орбите вблизи точки L1.

Решения задачи о движении объекта в окрестности двух массивных тел оказывается очень полезным, и не только в приложении к Солнечной системе: они используются и при изучении движения вещества в двойных звездных системах, и в звездных скоплениях, и в системах галактик. Но нужно помнить, что все эти полезные решения получены при определенных предположениях. Например, точки Лагранжа существуют в рамках ограниченной задачи: два тела имеют конечные массы (любые; обе массы могут быть даже равны друг другу), а третья бесконечно мала (у нас это космический аппарат). Движение в окрестности коллинеарных точек либрации L1, L2, L3 всегда неустойчиво. Устойчивость движения в окрестности треугольных точек Лагранжа L4, L5 зависит от соотношения между массами основных тел. Обозначим массы основных тел через m1≥m2. Введем безразмерный параметр µ, выражающий отношение этих масс:

µ=m2/(m1+m2)

А.М. Ляпунов доказал, что движение в окрестности треугольных точек либрации устойчиво в первом приближении при 27µ(1—µ)<1, что равносильно условию

µ<µ0=0,0385209.

Для системы Земля-Луна µ<(1/3)/µ0, значит, треугольные точки либрации устойчивы (при отсутствии не учтенных в задаче возмущений!). А вот для системы Плутон-Харон µ>3,7µ0. Устойчивости нет. В системах двойных звезд, как правило, µ>µ0 и движение неустойчиво.


Импульсные перелеты

Итак, у нас в запасе внушительный набор орбит, по которым можно двигаться долго-долго, не затрачивая ни малейших усилий. Но как попасть туда? Будем считать, что мы уже вышли в космос на круговую орбиту искусственного спутника Земли. А теперь нам надо перейти на более высокую орбиту. Тоже круговую и лежащую в той же плоскости. Имея супер-ракету, можно перелететь с орбиты на орбиту множеством способов. Но современные ракеты пока не позволяют развивать скорости в сотни километров в секунду, так что не все способы реализуемы. А поскольку каждый лишний грамм груза на борту — все равно что кирпич в рюкзаке у туриста, из возможных способов следует выбрать оптимальный, т.е. требующий минимального количества топлива.

Реактивные двигатели работают без перерыва несколько минут, тогда как перелеты длятся часы, а межпланетные — месяцы и годы. Так что можно считать без большой ошибки, что космический корабль практически мгновенно получает добавку скорости (как говорят, к аппарату прикладывается импульс скорости). Чтобы уйти с орбиты старта, нужен по крайней мере один импульс υ1. Чтобы остаться на орбите финиша — еще один υ2. Так называемая характеристическая скорость υ1+υ2, а с ней и расход топлива, будут минимальными, если импульсы прикладывать по касательным (рис.12). Это было доказано еще в 1920-е гг. В. Гоманом в Германии и Ф.А. Цандером у нас.


Рис.12

В космосе все движения обратимы. Точнее, если все скорости всех тел изменить на противоположные, то они будут двигаться по тем же орбитам, но в противоположную сторону. В частности, если все стрелки на рис.12 перевернуть, то получим тоже допустимые движения. Это значит, что оптимальный перелет с высокой на низкую орбиту — тот же эллипс Гомана-Цандера с теми же импульсами υ2 и υ1, но на этот раз не разгонными, а тормозными, в результате чего в дальнейшем можно ограничиться перелетами на более высокие орбиты.

Отнюдь не всегда начальная и конечная орбиты лежат в одной плоскости. Существенное изменение плоскости орбиты — задача, непосильная для современных ракет (опять космический парадокс: автомобилю трудно забираться на гору, но ничего не стоит свернуть направо). Действительно, чтобы повернуть плоскость орбиты на 60°, по правилу векторного сложения скоростей требуется импульс, равный скорости движения КА, т.е. 8 км/с для низких спутников Земли.

Но задача о стыковке двух ИСЗ решается и для совсем разных орбитальных плоскостей, лишь бы совпадали их наклоны к экватору. Действительно, плоскости орбит близкого и далекого ИСЗ из-за влияния сжатия Земли вращаются вокруг полярной оси и притом с разными угловыми скоростями. Достаточно выждать неделю-другую, пока плоскости орбит не совпадут, тогда и надо включать двигатели по описанной схеме.

Вернемся к задаче перелета между компланарными круговыми орбитами. А что, если не ограничиваться двумя импульсами? Как показал в тридцатых годах А.А. Штернфельд (родившийся в Польше, работавший сначала во Франции, затем в СССР), решение в этом случае зависит от отношения ρ радиусов внешней и внутренней окружностей. Если 1<ρ≤11,9, то полуэллипс остается оптимальной траекторией. Если ρ≥15,6, то более экономичен трехимпульсный перелет, осуществляемый по схеме типа Петербург-Одесса через Владивосток (рис.13). В точке А1 дается разгонный импульс υ1, больший, чем нужно для выхода на эллипс Гомана-Цандера, но меньший, чем нужно для ухода на бесконечность. В результате получим полуэллипс А1А2, заходящий за орбиту цели. В его апоцентре А2 снова прикладывается разгонный импульс υ2, обеспечивающий полет по полуэллипсу А2А3, касательному к орбите цели. В точке А3 дается уже тормозной импульс υ3, переводящий космический аппарат на круговую орбиту. И что удивительно: чем дальше расположена точка тем меньше характеристическая скорость υ1+υ2+υ3. А оптимального перелета нет! Он существует лишь как некая абстракция: надо уйти в «бесконечность», приложить там «нулевой» импульс и вернуться в точку А3.


Рис.13

Если 11,9<ρ<15,6, то трехимпульсный переход по-прежнему экономичнее двухимпульсного, но только для достаточно удаленного расположения точки А2. Если запретить далеко отрываться от родной Земли, то перелет Гомана-Цандера может все же оказаться оптимальным.

Перелеты Штернфельда — еще и средство изменения плоскости орбиты. Если точка А2 расположена очень далеко, то импульс скорости υ2 там очень мал. Его можно направить в любом направлении, затрачивая дополнительно совсем мало топлива, и получить орбиту желаемого наклона.

Покинем теперь околоземное пространство и устремимся к другим планетам. Как ни удивительно, ничего нового изобретать не придется. Достаточно в наших рассуждениях заменить Землю Солнцем, орбиту старта — орбитой Земли и орбиту финиша — орбитой планеты-цели. Правда, около самих планет надо учитывать их притяжение. Но зона, в которой это притяжение существенно (так называемая сфера влияния планеты), очень мала по сравнению с межпланетными расстояниями. Как применяется описанная теория в космонавтике? Почти каждая траектория перелета КА на околоземных орбитах или полет к Луне, Венере, Марсу представляет собой сокращенный эллипс Гомана-Цандера. Слово «сокращенный» означает, что радиус-вектор, соединяющий центральное тело и КА, поворачивается на угол, несколько меньший 180°. Так что траектория КА близка к оптимальной, но отличается от нее, причем почти всегда в одну сторону. Объясняется это тем, что мы учитывали до сих пор лишь один фактор — расход топлива. Но время перелета также играет не последнюю роль. Чем оно короче, тем лучше: меньше нужно запасать энергии для работы приборов, меньше вероятность выхода приборов из строя. А уж для пилотируемых полетов роль времени не нуждается в пояснении. Далее требуется уменьшить чувствительность к неизбежным неточностям при выведении на орбиту. А эллипс Гомана-Цандера к ним очень чуток. Немного не добрал скорость — и уже недолет. Все это и заставляет сокращать переходную орбиту.

А где же перелеты Штернфельда? В межпланетных полетах они вряд ли будут применяться. Они выгоднее двухимпульсных лишь для достижения Урана, Нептуна, Плутона и …Солнца. Но и прямой-то полет к внешним планетам требует десятков лет. А уж трехимпульсный перелет с вылетом из Солнечной системы займет сотни и тысячи лет. Недопустимо затянется и полет к Солнцу. Но не надо отчаиваться — мы расскажем о других путях достижения этой цели.

Радиус лунной орбиты содержит 60 радиусов Земли, так что ρ значительно превышает предел 15,6. Полет к Луне через залунные области даст экономию около 8% топлива. Пока такая схема перелета не применялась: ведь время в пути — несколько месяцев вместо нескольких дней прямого полета. Но не исключено, что при освоении Луны для товарных ракетных поездов будет использоваться именно траектория Штернфельда. Сегодня же по подобным траекториям часто выводят на орбиту 24-часовые ИСЗ: это оптимальный способ получить высокую орбиту нулевого наклона при запуске с космодрома с широтой, превышающей 40°. Отметим очередной космический парадокс: легче вывести КА на орбиту Луны, чем на орбиту 24-часового ИСЗ, в 9 раз более близкую.


Гравитационный маневр

Сфера влияния планеты очень мала. Но проникновение в нее может дать значительный эффект. КА попадает туда всегда с гиперболической скоростью — ведь он приходит из «бесконечности», имея там уже немалую скорость. Траектория относительно планеты в сфере влияния представляет собой небольшой кусок гиперболы. Для инопланетного зрителя результатом почти мгновенного прокола сферы влияния явится поворот вектора скорости на угол α между асимптотами (рис.4). Но в системе Коперника с центром в Солнце к скоростям относительно планеты нужно еще прибавить гелиоцентрическую скорость самой планеты. В результате скорость КА изменится и по направлению, и по величине. Мы не только можем развернуть КА по нашей воле, но еще и увеличить (а если нужно, и уменьшить) его скорость. Энергия здесь черпается (или отдается) из кинетической энергии обращения планеты вокруг дневного светила. Поскольку масса КА неизмеримо меньше массы планеты, изменение энергии планеты не ощутимо никакими самыми точными приборами.

Чем теснее подходит частица к притягивающему центру, тем меньше угол α между асимптотами отличается от 180° и тем эффективнее гравитационный маневр. Но мы не можем подлететь к центру планеты ближе, чем на ее радиус (с учетом атмосферы). А чем массивнее планета, тем больше ее размер. Поэтому на первый взгляд трудно сказать, какие планеты лучше подходят для гравитационного маневра. Поскольку же масса растет пропорционально кубу радиуса, вывод однозначен: чем массивнее планета, тем большие возможности предоставляет она для маневрирования. Маломассивный Меркурий и Марс не в состоянии сколько-нибудь существенно изменить орбиту КА. Венера и Земля уже способны на это. Однако для значительного изменения орбиты потребуется несколько сближений с этими планетами, причем сближения можно чередовать в любой последовательности. Например, три раза подряд подойти к Венере и затем два раза к Земле. Мощный преобразователь орбит — Юпитер: достаточно однократного прохождения вблизи него, чтобы покинуть Солнечную систему или упасть на Солнце.

Для маневра можно использовать и гравитационное поле Луны: для переходов внутри системы Земля-Луна и для выхода из этой системы в межпланетное пространство.

Первый в мире гравитационный маневр был совершен в 1959 г. зондом «Луна-3». В результате искусного использования гравитационного поля Луны (несмотря на его малость!) «Луна-3», стартовавшая с северного полушария Земли, облетев наш естественный спутник, вернулась снова в Северное полушарие, что тогда казалось неслыханным чудом. Так в СССР были получены первые фотографии обратной стороны Луны.

Сейчас гравитационное маневрирование стало обычным. Именно таким образом американский зонд «Вояжер-2» после пролета Юпитера достиг Сатурна, а затем Урана и Нептуна (рис.14). Советские «Вега-1» и «Вега-2» встретились с кометой Галлея после гравитационного маневра в поле Венеры. Американский «Международный исследователь комет» встретился с кометой Джакобини-Циннера после сложных маневров в системе Земля-Луна. Множественные маневры в поле Земли и Венеры совершили «Галилео» и «Кассини». Международный зонд «Улисс», предназначенный для исследования полярных областей Солнца, смог высоко подняться над плоскостью эклиптики только за счет гравитационного маневра в поле Юпитера.


Рис.14

В будущем, возможно, предпримут запуск зонда в солнечную корону. Для прямого падения на Солнце нужно погасить орбитальную скорость Земли (30 км/с), а полет через Юпитер требует добавки 12 км/с к орбитальной скорости Земли. Можно достичь окрестностей Солнца, используя лишь маневры у Венеры и Земли, но такой полет потребует около десятка тесных сближений с этими планетами. Гравитационный маневр у Юпитера — единственное приемлемое средство достижения Плутона, Харона и других тел пояса Койпера.


Малая тяга. Солнечный парус

До сих пор мы рассматривали импульсные перелеты. Даже гравитационный маневр можно считать импульсным. Но уже испытываются и скоро станут обычными так называемые двигатели малой тяги. Тяга у них малая, но работать она может месяцы и годы. Начальный участок траектории в этом случае представляет собой раскручивающуюся спираль. Двигатели малой тяги работают на иных принципах, чем обычные химические импульсные двигатели большой тяги. Например, в электрореактивных двигателях до огромных скоростей ускоряется пучок ионов. Поэтому такие двигатели очень экономичны. Для маневров на орбите они незаменимы. Однако с их помощью КА не может оторваться от Земли: реактивное ускорение много меньше ускорения свободного падения g. Так что начальный участок траектории, упоминающийся выше, это — первоначальная орбита, на которую КА выводится классической ракетой-носителем.

К двигателям малой тяги можно отнести и солнечный парус. Давление света в обычных условиях едва или вовсе не ощутимо. Но если в космосе развернуть парус из тончайшей пленки площадью в несколько тысяч квадратных метров, то этого хватит для создания малой, но длительной тяги. Запаса топлива как для корабельного, так и для космического паруса не требуется. Солнечный парус пока лишь испытывается: только недавно были созданы легкие, прочные и непрозрачные пленки. Обратите внимание: пленка должна быть непрозрачной (лучше — зеркальной), иначе свет ее «не заметит» и никакого давления не окажет. Полеты под солнечными парусами — дело ближайшего будущего. Где же они наиболее эффективны?

Сила солнечного излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. В окрестностях Марса она в два раза слабее, чем у Земли. В окрестностях Юпитера — в 30 раз слабее, Нептуна — в 900 раз. Поэтому солнечный парус разумно применять для маневрирования на околоземных орбитах и для полетов к Марсу и во внутренние области Солнечной системы: к Венере, Меркурию, Солнцу. При полете к Солнцу надо еще добиться, чтобы парус не сгорел и не расплавился.

Те же обстоятельства определяют и эффективность солнечных батарей. За орбитой Марса они неэкономичны. Лететь к Юпитеру и дальше можно только с атомными источниками электричества на борту.


Движение в атмосфере

При движении на высотах 200-1000 км. ИСЗ медленно, но неуклонно тормозится сопротивлением верхних слоев атмосферы. Спутник движется в окружающей среде со скоростью порядка 8 км/с. По сравнению с ней собственная скорость атмосферы мала. Сопротивление можно считать направленным прямо против вектора скорости ИСЗ. Ориентация орбиты в этом случае сохраняется. Но размеры и форма меняются существенно. Плотность воздуха падает с высотой очень быстро. Падает с высотой и скорость ИСЗ. Поэтому для низкоперигейного ИСЗ, эксцентриситет орбиты которого не исчезающе мал — хотя бы больше 0,01 — основное торможение осуществляется в окрестности перигея. Из-за этого на каждом витке значительно уменьшается высота апогея, и лишь ненамного — высота перигея. Орбита становится все ближе и ближе к круговой. Далее торможение равномерно распределяется по траектории и спутник начинает плавное снижение по спирали. Парадоксально, но скорость его при этом увеличивается!

Дело тут в следующем. Торможение в атмосфере приводит к уменьшению механической энергии спутника. Последняя складывается из кинетической и потенциальной (гравитационной). Снижаясь, ИСЗ теряет потенциальную энергию. Расчеты показывают, что несмотря на потерю механической энергии, кинетическая энергия возрастает. Так происходит вплоть до входа в плотные слои атмосферы (для Земли — ниже 150 км.). Там уже сопротивление воздуха становится сравнимым с притяжением. В результате — перегрузки, обгорание и падение скорости. Мелкие спутники сгорают, не долетая до земли. Крупные спутники и последние ступени ракет-носителей обгорают, разваливаются, а их обломки падают на Землю со скоростями в десятки метров в секунду. И лишь самые крупные долетают до поверхности планеты с существенно большими скоростями. Таковы, скажем, орбитальные станции «Скайлэб», «Салют», «Мир». Когда кончается ресурс такой станции, ее спуск специально регулируют, чтобы упала она в ненаселенной местности или в океан. К сожалению, это не всегда удавалось. «Скайлэб» и «Салют-7» разбились не совсем так, как планировалось в центрах управления. К счастью, катастроф все же не произошло.

До сих пор мы рассматривали атмосферу лишь как причину торможения ИСЗ. Вспомним о самолетах — воздух может быть и источником подъемной силы. Это качество давно уже используется в космонавтике. При спуске пилотируемые космические корабли благодаря небольшой подъемной силе сейчас сравнительно долго проходят верхние слои атмосферы, что значительно уменьшает перегрузки. Иногда используется эффект отражения от атмосферы. Это явление напоминает пускание «блинчиков» на воде, когда брошенный полого плоский камень многократно отражается от водной глади.

Сопротивление атмосферы и подъемную силу можно комбинировать с гравитационным маневром. Например, проникнув сначала в верхние слои атмосферы Венеры для последующего достижения околосолнечного пространства. Или для того, чтобы погасить гиперболическую планетоцентрическую скорость и стать спутником планеты. Такие маневры уже использовались для перевода американских зондов на околомарсианскую орбиту (к сожалению, не всегда удачно).


Парад планет

Довольно регулярно, раз в десяток лет, желтые издания публикуют мрачные прогнозы профессиональных и полупрофессиональных запугивателей населения о парадах планет. Две последних шумихи приходятся на 1978 и 1999 гг. Введенный термин означает такую конфигурацию планет, когда все они находятся на одном луче, исходящем от Солнца. Разберем здесь два вопроса: как часто случаются парады и возможны ли они вообще; что они несут нам. Начнем с последнего.

Пресса действует по шаблону египетских жрецов (см. выше) с небольшими модификациями. Вместо затмения — парад планет. Вместо запугивания во время явления — его предсказание и обещания землетрясений, извержений вулканов, наводнений, пожаров (к этому обязательному набору-минимум добавляют по вкусу засуху, тайфуны, саранчу, эпидемии, войны и т.д. и т.п.). Предположим, парад планет действительно состоялся. Как это отразится на Земле?

Это было бы чудное зрелище! Простым глазом вы увидите ночью Марс, Юпитер и Сатурн рядышком друг с другом. В небольшой телескоп к ним добавятся Уран и Нептун. А днем в телескоп вы увидите то, что еще никто никогда не наблюдал: черная капля Венеры ползет по диску Солнца, потом ее обгоняет меньшая столь же черная капля Меркурия. Словом, днем и ночью красота неописуемая (которая спасет мир, если верить Ф.М. Достоевскому). Но наши мозахисты-предсказатели-несчастий об этом даже не упоминают! А будет ли заметно физическое воздействие планетной конфигурации на Землю? То-то и оно, что нет. Разберем по порядку возможные механизмы влияния.

1) Гравитация: приливы на Земле. Мы знаем, что влияние гравитации на явления, происходящие на поверхности Земли, осуществляется приливными силами. Примем приливное ускорение от Луны в подлунной точке, когда Луна находится на среднем расстоянии от Земли, за единицу. Соответственно лунное приливное ускорение в моменты прохождения Луной перигея и апогея будет 1,15 и 0,85. Наибольшее приливное ускорение от Венеры, когда последняя находится в нижнем соединении, равно 10—4; от Юпитера, когда последний в противостоянии, равно 10—5. От остальных планет оно в десятки, сотни и тысячи раз меньше.

Таким образом, влияние планет ничтожно и тонет не только каплей в море лунных и солнечных приливов, но даже в их вариациях от недели к неделе. Но давайте забудем о лунных и солнечных приливах, будто их и нет вовсе. Даже тогда парад планет не внесет практически ничего. Ведь он добавляет всего несколько процентов к приливу от Венеры в нижнем соединении, а такое событие случается чаще, чем раз в два года!

2) Гравитация: приливы на Солнце. Планеты вызывают приливы и на Солнце, что в принципе может вызвать нежелательные землянам изменения. Эти приливы на Солнце столь же ничтожны, что и на Земле. По-прежнему главный прилив — от Венеры, затем — от Юпитера, а от остальных планет не будет и процента. По-прежнему парад планет не вызовет ничего, даже если забыть о малости воздействия. Приливы от Венеры и Юпитера будут складываться каждые четыре месяца (в моменты, когда для жителя Венеры Юпитер находится в соединении или противостоянии), добавка же от парада практически нулевая.

3) Электромагнетизм. Земля имеет сильное магнитное поле, мощные радиационные пояса заряженных частиц. Влияние планет на электромагнитные поля Земли ничтожно. Еще меньше электромагнитное влияние планет на Солнце.

А был ли парад планет? Разумеется, парада не было ни разу за всю историю Солнечной системы и не будет никогда. Ведь плоскости планетных орбит не совпадают. Для парада нужно, чтобы нашелся такой момент t0, в который все плоскости планетных орбит пересекались бы по одной прямой (общей линии узлов). Вдобавок и сами планеты должны оказаться на этой прямой, да еще с одной стороны. История орбит в Солнечной системе прослежена на миллиарды лет вперед и назад, и такого момента в ней нет.

Но давайте ослабим требования к параду, разрешив планетам собираться не только на луче, но внутри конуса с вершиной в центре Солнца. Угол а раствора конуса выберем в десять градусов. Какой же парад при α=20°, например, когда планеты бродят чуть не по целому созвездию?

Мы проследили за положением планет на миллион лет вперед и назад и убедились, что даже такого ослабленного парада не было и не будет. Жаль, очень было бы красиво! Впрочем, собрание не всех, а трех-пяти планет в одном созвездии происходят не так уж редко, и вы, наверное, уже видели это (газеты всегда сообщают об этом событии заранее).


Эволюция планетной системы

Если предположить, что планеты притягиваются только Солнцем и не оказывают воздействия друг на друга, то они описывают кеплеровские эллипсы. Каждая планета с некоторым периодом Т возвращается на прежнее место. Периоды у планет различны и общего для всех периода не существует. Так что движение планетной системы не является периодическим с точки зрения математики. Напомню, что в математике явление называется Т-периодическим, если по прошествии времени Т система возвращается в прежнее состояние. Но в природе лишь исключительно простые процессы могут быть такими, например, колебания маятника.

Рассмотрим более сложную систему: смена времен года. Скажем, 1 июля в одном и том же месте в разные годы погода бывает разной, и можно говорить лишь о приблизительной периодичности. Но точные науки не терпят приблизительных терминов. Изобретено понятие квазипериодичности для явления, раскладывающегося на сумму периодических (создателем теории квазипериодических функций был рижский профессор П.Г. Боль).

Невозмущенное движение планет квазипериодично. В сумму скольких периодических процессов оно раскладывается? Вопрос кажется тривиальным — конечно, n, если через n обозначить число планет. Это так, но нельзя ли уменьшить число процессов до n0<n? Оказывается, иногда можно. Рассмотрим два процесса с периодами Т1 и Т2. Пусть T1/T2=р1/р2, где р1, р2 — целые взаимно-простые числа. Тогда оба процесса имеют общий период Т=р2Т1=р1Т2. Например, если две планеты имеют периоды обращения Т1 и T2, то по прошествии времени Т первая планета совершит р2 оборотов, вторая — р1 оборотов и обе окажутся на прежнем месте. В таком случае говорят о резонансе, точнее, о резонансе р1:p2 в движении планет. Если же таких целых чисел p1, р2 не существует, то говорят об отсутствии резонанса в системе.

Итак, при отсутствии резонанса в системе из n планет имеется n независимых периодов, в случае резонанса число последних n0 меньше n.

Маленькое пояснение. Сформулированное определение резонанса прекрасно с математической точки зрения, но не годится в естественных науках. Ведь речь идет о рациональности или иррациональности числа η=Т1/Т2. Только в модельных задачах периоды известны точно и определение имеет смысл. В реальности Т1, Т2 измеряются с некоторой погрешностью. Как бы мала она ни была, различить рациональный и иррациональный случай невозможно в принципе. На практике важно, можно ли представить число η в виде отношения двух небольших целых чисел р1:p2 плюс малая поправка, или нельзя. Если можно, то по прошествии небольшого времени Т система практически вернется в прежнее положение. Например, пусть η=2/3+10—4π. По истечении времени Т=ЗТ1 первый процесс вернется в прежнее положение, а фаза второго сместится всего на тысячную долю окружности, т.е. на треть градуса. Резонанс налицо. Если нельзя, то система вернется в близкое положение очень нескоро. Пусть, например, η=1597/987 (подходящая дробь для «золотого» числа (1+√5)/2). Система вернется в прежнее положение только через огромное время 987Т1=1597Т2. Резонанса нет.

Оказывается, наша Солнечная система устроена так, что массивные тела (восемь больших планет от Меркурия до Нептуна) не резонируют друг с другом. Если перевести колебания планет (а по каждой из координатных осей они колеблются!) в звуковые, то мы услышим не «музыку сфер», а что-то вроде какофонии в оркестре к концу антракта, когда каждый музыкант независимо от других настраивает свой инструмент. Напротив, среди малых тел много резонирующих с большими и друг с другом. Таковы десятки спутников, тысячи малых планет и даже Плутон (напомню, что его масса в шесть раз меньше лунной). Пока он делает два оборота вокруг Солнца, Нептун успевает обежать его ровно три раза.

Примем теперь во внимание взаимное притяжение небесных тел. Масса самой большой планеты, Юпитера, в тысячу с небольшим раз меньше Солнечной. Примерно во столько же раз ускорение каждой планеты, вызванное притяжением других планет, меньше ускорения к Солнцу. Дифференциальное уравнение движения можно записать в форме

w=F0+µF1      (10)

Здесь индексом 0 отмечено основное ускорение, индексом 1 — вызванное притяжением планет друг к другу возмущающее ускорение; малый параметр µ~0,001. Уравнений типа (10) надо написать несколько, по числу планет. Движение при µ=0 нам известно. При истинном малом значении µ траектория чуть-чуть отклоняется от невозмущенной. Допустимо считать, что орбита по-прежнему является эллипсом, но его элементы (большая полуось, эксцентриситет и т.д.) медленно меняются со временем со скоростью порядка µ. Этот прием мы уже рассматривали на примере ИСЗ.

Фундаментальный вопрос: накапливаются ли возмущения со временем или колеблются около некоторого среднего значения? В первом случае мы говорим о вековых возмущениях; за время T0/µ орбиты менялись бы до неузнаваемости. Здесь Т0 — характерный период, 10 лет для Солнечной системы, примерно год Юпитера. Критическое время T0/µ равно всего десяти тысячам лет, совсем немного в истории Земли. К нашему счастью, при отсутствии резонансов возмущения большой полуоси, эксцентриситета и наклона не накапливаются, эти важнейшие для жизни на Земле элементы лишь колеблются в узких пределах.

Надо сказать, что к этому результату математики и астрономы шли три столетия. Очень уж трудно доказать эту теорему, ведь уравнения (10) настолько сложны, что до сих пор не найдено в аналитическом виде их общего решения, пригодного на космогонических временах порядка T0/µ3. Ньютон полагал, что возмущения накапливаются. В образах того времени Великий Часовщик создал часы не абсолютного совершенства, нуждающиеся в ремонте один раз в несколько десятков тысяч лет. Лаплас и Лагранж продлили устойчивость движения планет до миллионов лет. В свое время это вызвало бурный энтузиазм в образованных кругах, результат Лапласа-Лагранжа назвали теоремой об устойчивости Солнечной системы. Забавно, что теорема эта приятна и теистам (Часовщик создал часы высочайшего совершенства), и атеистам (Часовщик не нужен, по Пушкину — и без него все шло своим порядком). Во второй половине XX в. советские математики А. Н. Колмогоров, В.И. Арнольд и независимо их американский коллега Ю. Мозер продлили время устойчивости до миллиардов лет. Их результаты уточняются и сейчас, но главное уже сделано.

Любопытно, что факт устойчивости по крайней мере земной орбиты давно известен геологам и палеонтологам. С человеческой точки зрения климат Земли сильно менялся с геологическими эпохами. Но во всяком случае океаны никогда не покрывались сплошным льдом и никогда не нагревались выше 40°С. В первом случае океаны бы никогда не растаяли, так как бело-голубая Земля отражала бы почти все падающее на нее излучение Солнца в космос. Некому было бы читать эту книгу, да и написать ее. Во втором случае мы бы наблюдали грандиозные вымирания растительного и животного мира, по сравнению с которыми гибель динозавров показалась бы мелкой неприятностью. Следовательно, Земля получала от Солнца примерно столько же энергии в прошлом, сколько она получает сейчас. Последние 3 млрд. лет Солнце обладает почти постоянной светимостью. Значит, большая полуось и эксцентриситет земной орбиты существенно не менялись.

Стоит обратить внимание на слова примерно и почти. Колебания эксцентриситета амплитудой в 0,03—0,04 имеют место; ими, согласно хорошо аргументированной гипотезе югославского ученого М. Миланковича, объясняются ледниковые периоды в плейстоцене.

Итак, орбиты восьми больших планет около 4 млрд. лет назад приняли современный вид и с тех пор оставались примерно такими же. А Плутон? Мы помним о его резонансе с Нептуном. Оказывается, в резонансном случае эволюция сильно зависит от фазы. Орбиты Плутона и Нептуна близки к пересечению, расстояние между ними менее 2 а.е. При сближении Плутон перешел бы на существенно другую орбиту, а после серии сближений упал бы на Нептун, или Солнце, или был бы выброшен за пределы Солнечной системы. Но фазы «подобраны» так, что в точках сближения орбит планеты никогда не бывают вместе, расстояние между ними всегда больше 18 а.е. Доказано, что такое состояние длится многие миллиарды лет, орбита Плутона устойчива и сохраняет резонансность с Нептуном. Желающие могут связать это с мудростью Часовщика; нежелающие — с естественным отбором. Начиная с 1992 г. открыты уже сотни планеток диаметрами порядка сотен километров, двигающиеся по схожим с плутоновой орбитам. Они устойчивы, поэтому мы их и видим. Множество же тел, попавших на неустойчивые орбиты, исчезло так, как описано чуть выше.


Эволюция спутниковых систем

Часто пишут, что спутниковые системы больших планет — это планетные системы в миниатюре. Это не совсем так не только с точки зрения физики (планета не греет свои спутники), но и механики. Спутники малы, и главные возмущения в их движении вызваны сжатием центральной планеты и притяжением Солнца. К тому же, резонансность встречается там часто. Например, периоды обращения трех галилеевых спутников Юпитера — Ио, Европы и Ганимеда — связаны соотношением

1/T1—3/T2+2/T3=0

Далее, спутники гораздо ближе к своим планетам, чем последние к Солнцу, не только в абсолютных, но и в относительных единицах. Луна считается далеким спутником, но до нее 60 земных радиусов, а от Земли до Солнца — 210 солнечных. А до Ио всего 6 радиусов Юпитера, до Фобоса 3 радиуса Марса. Поэтому важную роль играют приливные явления. Не будь их, спутниковые системы были бы столь же стабильны, как планетные. Подчеркнем, что устойчивость орбит обеспечивается малостью планетных масс по сравнению с солнечной, малостью спутниковых масс по сравнению с планетной, близостью спутников к планете по сравнению с расстоянием до Солнца, а также малостью эксцентриситетов и наклонов.

Разительный пример важности последнего обстоятельства приведен советским специалистом по механике космического полета М.Л. Лидовым. «Запустим» Луну на такую орбиту, которую она имеет сейчас, за одним исключением: пусть наклон ее орбиты к плоскости эклиптики будет близок к 90°. Оказывается, орбита будет необратимо вытягиваться при малом изменении размера, в конце концов Луна упадет на Землю. И не за привычные в астрономии миллионы и миллиарды лет, а всего за пять лет!

Вернем Луну на существующую орбиту и обратимся к приливам. На Земле лунный прилив вызывает колебания поверхности амплитудой в полметра. Земля вращается вокруг своей оси в 30 раз быстрее, чем Луна вокруг Земли (сравниваются угловые скорости или, что эквивалентно, периоды: сутки и месяц). Следовательно, приливная волна катится с востока на запад, против вращения Земли и своим трением замедляет его. По закону сохранения вращательного момента в системе Земля-Луна вращательный момент орбитального движения Луны увеличивается. В результате Земля вращается все медленнее; Луна отодвигается и тоже замедляет свой бег по орбите и свою угловую скорость обращения в силу третьего закона Кеплера. Приблизительно через 15 млрд. лет сутки сравняются с месяцем, их продолжительность станет равной 55 нынешним суткам. Земля и Луна, как танцоры в вальсе, будут смотреть друг на друга одной стороной.

Будем теперь двигаться в прошлое. Чем дальше вглубь веков, тем быстрее вращается Земля и Луна, тем короче сутки и месяц. А всегда ли сутки на Луне были равны месяцу, т.е. Луна показывала Земле лишь свое «лицо»? Конечно, нет! Вначале Луна вращалась быстро. Но на Луне земной прилив в 20 раз выше, чем на Земле лунный. Это отношение неизменно, тогда как амплитуда приливов была много больше в прошлом, когда тела были ближе. Ясно, что Луна быстро замедлила свое вращение и пришла в устойчивое состояние, а Земле это еще предстоит. Не только Луна, а многие спутники в Солнечной системе смотрят на свои планеты одной стороной, но только одна пара Плутон-Харон уже пришла в конечное «вальсирующее» состояние. Эта пара вообще уже закончивших свою приливную эволюцию и достигла стационарного состояния.

Итак, в результате приливной эволюции многие спутники сейчас смотрят на свою планету одной стороной и при этом многие отодвигаются от нее; в этом большинство спутников подобны Луне. Но некоторые спутники под действием приливов приближаются к своей планете. Во-первых, это спутники с обратным движением: Тритон у Нептуна, Феба у Сатурна и еще некоторые далекие спутники Юпитера и Урана. Во-вторых, это очень близкие спутники с прямым движением, опережающие вращение планеты: Метида и Адрастея у Юпитера, 10 внутренних спутников Урана, 5 внутренних спутников Нептуна. Самый известный пример этого представляет собой пара Марс-Фобос. Последний движется ближе и быстрее пока не выведенных на орбиту стационарных искусственных спутников Марса. Приливной горб на Марсе отстает. Фобос раскручивает Марс и с уменьшением собственного орбитального вращательного момента приближается к планете, двигаясь все быстрее. Приблизительно через 30 млн. лет Фобос упадет на Марс, если мы не вмешаемся раньше.

В заключение параграфа — немного об изменении взглядов ученых на природу. Тысячи лет они задавались вопросом, откуда взялось движение и кто поддерживает вечный бег планет. После Ньютона стало ясно, что движение неуничтожимо, и второй вопрос отпал, но над первым мучились еще лет двести. Сейчас отпал и он (по крайней мере, если не касаться причин Большого взрыва и работать с уже существующей материей в знакомых нам формах). Наоборот, астрономы пытаются ответить на противоположные вопросы типа почему спутники, Меркурий, Венера, Солнце вращаются вокруг своих осей так медленно. Ответ о спутниках мы знаем. Скорее всего, аналогичная причина, солнечный прилив, замедлил вращение внутренних планет. Медленность вращения Солнца связана с передачей его вращательного момента орбитальному моменту планет. Механизм же передачи до конца еще не ясен.


Релятивистская небесная механика

Когда Ньютон опубликовал свой закон всемирного тяготения, современники тут же задали ему вопрос, а откуда взялось само тяготение? По моему мнению, это верх бестактности. Ньютон сделал бесконечно много. Объяснил тонкие особенности движения Луны, планет, их спутников, комет; окончательно стер грань между земным и небесным, описав единым образом движение брошенного камня и Луны; показал, как запустить ИСЗ и слетать на Луну: надо разогнать аппарат до вычисленных им первой и второй космической скорости. К счастью для сэра Исаака, ограниченные его современники не приставали к нему с вопросами, как достичь таких скоростей. Ньютон объяснил близость формы небесных тел к шарообразной и их сжатие (а сжатие Земли он предсказал); объяснил падение давления и плотности воздуха с высотой и отсутствие атмосферы на Луне; объяснил явление приливов в океане и предсказал прилив в твердой Земле и воздухе.

Я говорю лишь о связанных с гравитацией явлениях. А сколько он сделал в математике, механике, оптике, приборостроении, экономике! И после этого удивляться, почему Ньютон не открыл еще причины гравитации и не подарил им заодно эликсир бессмертия? Не может же один человек сделать все, попробуйте и сами!

Через 230 лет история повторилась: А. Эйнштейн открыл причину тяготения, создав общую теорию относительности. Материя искривляет пространство-время, а мы воспринимаем это как гравитацию. Первое, о чем спросили Эйнштейна, — откуда взялось искривление. Лет через 50 (или раньше) искривление сведут к явлению X. Разумеется, ученого сразу спросят, откуда взялось явление X.

Из общефилософских законов следует, что как всякая созданная человеком модель, ОТО отражает действительность лишь приближенно. Однако в XX в. ни одного отклонения от ОТО (в области, где несущественны квантовые эффекты) в опыте не обнаружено, несмотря на практически ежедневное тестирование ОТО. Это значит, что ошибки теории меньше погрешностей приборов. Сегодня ОТО можно считать абсолютно точной. Хотя, конечно, наступит день, когда мы узнаем пределы применимости ОТО и построим более совершенную теорию гравитации.

Формулы ОТО сложнее ньютоновских, но само явление описывается гораздо проще и нагляднее. Масса вызывает искривление пространства-времени, распространяющееся с конечной скоростью, со скоростью света. Этим устраняется присущее ньютоновоской теории немыслимое свойство мгновенного распространения тяготения. В слабых гравитационных полях при медленных движениях формулы теории относительности переходят в формулы ньютоновской механики.

Какие скорости можно считать малыми? Оказывается, даже космические. Относительная погрешность законов Ньютона — величина порядка µ=υ2/с2, где υ — скорость частицы, с — скорость света. Скорость Земли относительно Солнца υ≈30км/с, поэтому µ≈10—8. Скорость спутников еще меньше. Для самой быстрой планеты Меркурия υ≈50 км/с и µ≈3×10—8.

А какое поле можно считать слабым? Достаточно определить, до какой скорости может разогнаться свободно падающая частица. Таким образом, интенсивность гравитационного поля можно оценить второй космической скоростью υII. Для Земли у ее поверхности υII≈11км/с и µ≈10—9, что свидетельствует о крайней слабости притяжения Земли. (Конечно, лишь для применения ОТО. Свалившийся даже со второго этажа человек вряд ли посчитает земное притяжение слабым). Притяжение Солнца, естественно, значительнее. Но и у орбиты Меркурия параболическая скорость для отрыва от Солнца υII≈70км/с, µ≈6×10—8. Даже у края Солнца υII≈600км/с, µ≈4×10—6.

Итак, в Солнечной системе релятивистские эффекты чрезвычайно малы. Их учитывают при построении максимально точных теорий движения планет, спутников, космических аппаратов. Так, погрешность ньютоновской теории движения планет земной группы за 10 лет составляет около 1000 км, а релятивистской — около 5 км. Но в качественное описание движения никаких поправок вводить не надо.

Иная ситуация в окрестности компактных массивных объектов. Типичная нейтронная звезда, например, имеет массу, как у Солнца, и размер, как у Фобоса. У ее поверхности υII≈130 Мм/с, поэтому µ~0,2. Даже луч света сильно искривляется, проходя рядом с нейтронной звездой. В системе двух близких друг к другу нейтронных звезд последние обращаются вокруг общего центра масс с субсветовыми скоростями. Это приводит к излучению гравитационных волн и потере энергии. В конце концов звезды сталкиваются, происходит взрыв чудовищной мощности, превышающей светимость галактик на много порядков.

Что же до черной дыры, то там вообще творятся чудеса. Пролетающий мимо нее метеорит (не будем говорить о звездолете, чтобы не переживать за космонавтов) обогнул бы ее по гиперболе, будь справедливы законы Ньютона. Но по законам ОТО метеорит при достаточно близком прохождении сделает несколько витков вокруг черной дыры прежде чем снова уйти на бесконечность. Если же он проникнет под так называемый горизонт, то уже никогда не вернется обратно.

Тут надо внести уточнение. По нашим часам (часам внешнего наблюдателя) он никогда не достигнет горизонта. Будет вечно туда падать со все уменьшающейся скоростью. По своим же часам он упадет туда очень быстро! Конечно, на метеорите часов нет, и надо бы говорить о собственном времени, но таковы странные традиции теории относительности.


Заключение

Мы рассказали, как возникла небесная механика, как она стала современной наукой, какие задачи решала, где используется сейчас. Рассказ был далеко не полным. Мы опустили такие триумфы небесной механики, как предсказание возвращения кометы Галлея и открытие Нептуна. Не сказали о службе движения тысяч малых тел, мировой центр которой находится в Петербурге; о поиске возможных неоткрытых планет или даже тусклых карликовых звезд — гипотетических спутников Солнца; об исследованиях двойных и кратных звезд и планетных систем других солнц. Все это связано не только с небесной механикой и частично описано в других разделах книги. В заключение укажем некоторые нерешенные задачи астрономии, в которых небесной механике принадлежит важная роль.

• Определение изменения гравитационного поля, формы и вращения Земли со временем в связи с действием приливов, послеледниковым поднятием, дрейфом континентов, перераспределением ледниковых масс, антропогенной деятельностью.

• Определение масс и орбит внесолнечных планет по различным наблюдениям.

• Определение происхождения планет.

• Определение долгосрочной эволюции ансамбля всех составляющих Солнечной системы.

Добавлю, что решенные в принципе задачи надо постоянно решать заново. Ведь решение типовой задачи дает нам алгоритм, который надо по-разному применять в конкретных ситуациях. Пример — расчет траектории полета к Юпитеру или любому другому телу Солнечной системы. Тела двигаются, их расположение никогда не повторится, так что и орбиты перелета всегда новые.


Литература

Абалакин В.К. Основы эфемеридной астрономии. — М.: Наука, 1979.

Астрономический календарь: Постоянная часть. — М.: Наука, 1981.

Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. — М.: Наука, 1977.

Бронштэн В.А. Как движется Луна. — М.: Наука, 1990.

Брумберг В.А. Релятивистская небесная механика. — М.: Наука, 1972.

Воронцов-Вельяминов Б.А. Сборник задач и практических упражнений по астрономии. — М.: Наука, 1977.

Гребенников Е.А., Рябов Ю.А. Поиски и открытия планет. — М.: Наука, 1984.

Гришинский Н.Я., Гришинский А.Н. В мире сил тяготения. — М.: Недра, 1985.

Дарвин Дж. Г. Приливы и родственные им явления в Солнечной системе. — М.: Наука, 1965.

Демин В.Г. Судьба Солнечной системы: Популярные очерки о небесной механике. — М.: Наука, 1975.

Дубошин Г.Н. Небесная механика: Основные задачи и методы. — М.: Наука, 1975.

Ипатов С.И. Миграция небесных тел в Солнечной системе. — М.: Эдиториал УРСС, 2000.

Ньето М.М. Закон Тициуса-Боде. — М.: Мир, 1976.

Идельсон Н.И. Этюды по истории небесной механики. — М.: Наука, 1975.

Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении. — М.: Наука, 1980.

Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. — ГОНТИ, 1939.

Монтенбрук О., Пфлегер Т. Астрономия на персональном компьютере. СПб: Питер, 2002.

Питьев И.П., Титов В.Б., Холшевников К.В. Фигуры равновесия небесных тел. — СПб.: С.-Петербургский гос.университет, 2002.

Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия: От Леверье до Эйнштейна. — М.: Мир, 1985.

Рябов Ю.А. Движение небесных тел. — М.: Наука, 1988.

Сагитов М.У. Постоянная тяготения и масса Земли. — М.: Наука, 1969.

Справочное руководство по небесной механике и астродинамике / Под. ред. Г.Н. Дубошина. — М.: Наука, 1976.

Субботин М.Ф. Введение в теоретическую астрономию. — М.: Наука, 1968.

Сурдин В.Г. Астрономические олимпиады. Задачи с решениями. — М.: МГУ, 1995.

Фертрегт М. Основы космонавтики. — М.: Просвещение, 1969.

Штернфельд А.А. Введение в космонавтику. — М.: Наука, 1974.

Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. — М.: Наука, 1965.


Глава III


ЛУНА


И сладостен и жутко безотраден

Алмазный бред морщин твоих и впадин,

Твоих морей блестящая слюда.

Как страстный вопль в бесстрастности эфира,

Ты — крик тоски, застывший глыбой льда,

Ты — мертвый лик отвергнутого мира.

Максимилиан Волошин


Характеристики Луны

Большая полуось орбиты

384 440 км.


Сидерический месяц (период обращения и вращения)

27,32166 сут.


Синодический месяц (средний)

29,53059 сут. (от 29,25 до 29,83 сут.).


Наклонение орбиты к эклиптике (среднее)

5°08'43" (от 4°59' до 5°19' с Р=173

d

).


Эксцентриситет орбиты (средний)

0,0549.


Средняя орбитальная скорость

1,023км/с.


Наклон экватора к эклиптике

1°32'47"±24".


Наклон орбиты к земному экватору

от 18°18' до 28°36'.


Либрации (максимальные)

7°54' (по долготе) 6°50' (по широте).


Масса

7,353×10

22

кг=(1/81,3)М

Ф

.


Экваториальный радиус

1738км=0,27R

Ф

.


Полярный радиус

1735км.


Средняя плотность

3,34г/см

3.


Ускорение свободного падения

1,62м/с

2

=(1/6)g.


Скорость ускользания (2-я космическая)

2,38км/с.


Момент инерции (в единицах MR

2

)

0,394.


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,067.


Геометрическое альбедо (визуальное)

0,12.


Визуальная звездная величина (в полнолуние)

—12,7

m

.


Температура поверхности экстремальная

+123°С и —233°С


Плотность атмосферы ночью (днем)

2×10

5

молекул/см

3

(~10

4

молекул/см

3

)


Температура поверхности средняя

+107°С днем, —153°С ночью


Луна — единственный природный спутник Земли, ближайшее к нашей планете космическое тело. Луна — самый яркий объект ночного неба, почти достигающий в полнолуние блеска —13m и создающий на Земле освещенность около 0,25 люкса, достаточную для работы видеокамер.

Луна — единственное космическое тело, быстро и наглядно изменяющая свой внешний вид (фазы) и положение относительно звезд, поэтому многие народы издавна использовали лунный или солнечно-лунный календарь для счета времени.

С Луной связано множество мифов и преданий. Например, древние китайцы верили, что на ней живет нефритовый заяц, толкущий в ступе снадобье бессмертия. Ей посвящали стихи поэты, а Бетховен под действием ее чар написал знаменитую «Лунную сонату». Спутники остальных планет Солнечной системы не видны невооруженным глазом с Земли; быть может, поэтому так долго гелиоцентрическая система мира Птолемея властвовала над умами людей…

В результате 400 лет изучения Луны в телескоп и 50 лет автоматических и пилотируемых экспедиций составлены подробнейшие карты лунной поверхности, изучен состав лунного грунта, температурный режим поверхности, получены сейсмические данные о ее недрах. Огромный объем научных данных о Луне вызывает чувство восхищения перед интеллектуальными возможностями человечества и гордость за совершенство созданной им техники. А что можно узнать о Луне, если вести наблюдения невооруженным глазом или с помощью скромного телескопа?


Любительские наблюдения Луны. Фазы Луны

При наблюдениях Луны невооруженным глазом, прежде всего, заметна смена лунных фаз. Луна движется по небу относительно звезд быстрее других естественных светил, со скоростью 13° в сутки. Для сравнения, Солнце за сутки перемещается лишь на 1°. Когда положения Луны и Солнца на небе сближаются, к Земле повернута темная, неосвещенная Солнцем сторона Луны, и нам она практически не видна; это новолуние. По мере того, как Луна отходит от положения новолуния, солнечные лучи освещают все большую часть ее видимой стороны.

Спустя несколько дней после новолуния вечером на западе виден яркий лунный серп; но, приглядевшись, можно заметить и слабое свечение темной части лунного диска, так называемый пепельный свет Луны. Это солнечный свет, отраженный дневным полушарием Земли, слабо освещает темную сторону Луны. День ото дня растет толщина лунного серпа. Через неделю после новолуния наступает фаза первой четверти, когда Солнцем освещена половина диска Луны. В эти дни Луна видна с вечера до полуночи. Еще через неделю лунный диск полностью освещен, наступило полнолуние. В этой фазе Луна видна всю ночь, а Земля занимает положение в пространстве между Солнцем и Луной. Затем в течение двух недель освещенная часть лунного диска уменьшается: в фазе последней четверти освещена восточная половина лунного диска; у Луны наступает период утренней видимости. После новолуния все фазы Луны повторяются в том же порядке.

Полный цикл смены лунных фаз называют синодическим месяцем; его продолжительность (29,53 сут.) немного больше периода обращения Луны вокруг Земли (сидерический месяц, 27,32 сут.), поскольку сама система Земля-Луна обращается вокруг Солнца. Период вращения Луны вокруг оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, поэтому Луна всегда повернута к Земле одной стороной. Но земной наблюдатель в течение месяца может увидеть почти 60% площади лунного шара из-за явления либрации — кажущегося покачивания Луны, вызванного ее движением по эллиптической орбите, а также суточным движением самого наблюдателя.

В течение года высота Луны над горизонтом в наших средних широтах заметно меняется: зимой она поднимается значительно выше, чем летом. Вызвано это тем, что Луна перемещается вблизи эклиптики, наклоненной к небесному экватору на 23,4°. Поэтому в фазе полнолуния, когда положения на небе Луны и Солнца противоположны, Луна видна на 23,4° выше экватора зимой и на столько же ниже него — летом.


Наблюдения Луны в небольшой телескоп

При наблюдении с Земли угловой диаметр Луны составляет около 30', что в 20 раз превышает разрешающую способность человеческого глаза. Поэтому даже без помощи оптических приборов легко можно заметить темные и светлые образования на лунном диске. Темные пятна издавна называют морями, хотя, как выяснилось, в них нет ни капли воды. Светлые области лунной поверхности называют материками. Любопытно, что измерения высот на Луне показали, что моря действительно лежат заметно ниже материков, хотя эти названия возникли задолго до рождения лунной топографии. Различие между материками и морями наблюдается также в составе пород: материковые породы лучше отражают солнечный свет, чем морские, поэтому лунные моря выглядят темнее.

Изумительное зрелище представляет лунный пейзаж для наблюдателя, имеющего даже небольшой телескоп. На третий день после новолуния можно заметить часть Моря Кризисов и несколько крупных кратеров Лангрен, Венделин и Петавий. На четвертый день Море Кризисов становится более рельефным, а к югу от него выступает Море Изобилия. На пятый день очень интересно наблюдать как бы сросшиеся вместе кратеры Кирилл, Теофил и Катарина. Кольцевой вал Теофила врезался в соседний Кирилл и частично разрушил его. Очевидно, Теофил образовался позже Кирилла. Возраст лунных кратеров оценивают, изучая степень их сохранности и подсчитывая количество небольших кратеров внутри более крупных. Легко заметить, что на материках кратеров намного больше, чем на поверхности морей. Следовательно, моря образовались позже материков.


На шестой день после новолуния во всем своем величии появляется Море Ясности. Если в это время провести несколько часов у телескопа, то можно заметить, как Солнце начинает освещать вершины гор, лежащих в тени за линией терминатора. Сначала они кажутся светлыми точками, оторванными от освещенной части Луны. Наблюдая, замечаешь, как увеличивается освещенная часть горы по мере того, как солнечные лучи опускаются к ее подножью. На седьмой день, когда Луна в фазе первой четверти, терминатор проходит через Море Паров; в это время трудно не обратить внимание на прекрасное трио кратеров — Птолемей, Альфонс и Арзахель. На восьмой день можно изучать систему светлых лучей кратера Тихо и центральную горку этого кратера. Ученые до сих пор ведут споры о природе системы светлых лучей, но ясно, что кратеры с лучами — наиболее молодые среди лунных кратеров. На девятый день появляется Коперник, один из интереснейших лунных цирков, лежащий южнее выступающего из темноты Моря Дождей. На следующую ночь у терминатора появляется молодой кратер Кеплер и кратер Гассенди с центральной горкой. В последующие ночи наблюдения менее интересны, так как солнечные лучи падают отвесно, тени почти исчезают, контраст лунных деталей падает, а яркость лунной поверхности настолько возрастает, что изображение слепит глаза.


Лунные затмения

Фаза полнолуния представляет интерес совсем иного рода: в этот момент может наступить полное лунное затмение, если Луна на своем пути войдет в тень Земли. Это одно из впечатляющих астрономических явлений, конкурировать с которым могут только полные солнечные затмения, яркие кометы и огнедышащие болиды. Античные и средневековые астрономы по форме земной тени на лунном диске доказывали шарообразность Земли и даже определяли соотношение размеров Земли и Луны.

Начальный, полутеневой этап лунного затмения почти невозможно заметить невооруженным глазом. Когда полная тень Земли касается лунной поверхности, начинается теневое затмение. Луна перемещается относительно звезд с запада на восток, поэтому тень надвигается на лунный диск с восточной стороны. В начале затмения накрытая тенью часть Луны кажется совершенно черной по контрасту с освещенной Солнцем поверхностью. Но к моменту наступления полной фазы затмения становится заметной окраска теневой зоны. В зависимости от состояния земной атмосферы цвет тени может меняться от бурого до вишнево-красного. Во время затмения блеск Луны значительно уменьшается, небо темнеет, становятся видны слабые звезды 4—5m. Любопытно проследить за изменением блеска Луны во время затмения, сравнивая яркость лунного блика на полированном металлическом шарике (от подшипника) с блеском ярких звезд. Таким методом можно установить, что бывают как очень темные затмения, когда Луну почти не видно, так и более светлые. Вероятно, это зависит от состояния земной атмосферы, преломляясь в которой, солнечные лучи попадают в область тени.

В тот момент, когда земной наблюдатель видит лунное затмение, наблюдатель на Луне должен видеть затмение Солнца. Никому еще не приходилось наблюдать полное солнечное затмение с Луны; представить это явление попытался Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935) в фантастической повести «На Луне»:

«Вот как будто кто-то с одной стороны светила приплюснул гигантским пальцем его светящуюся массу. Вот уже видна только половина Солнца. Наконец исчезла последняя его частица… Мы видим месяц и множество звезд. Это не тот месяц — серп; этот имеет форму темного круга, охваченного великолепным багровым сиянием, особенно ярким, хотя и бледным с той стороны, где пропал остаток Солнца… И окрестности залиты багрянцем, как бы кровью… Красный венок становился равномернее и красивее… Вот одна сторона его, противоположная той, где скрылось Солнце, побледнела и посветлела… Вот она делается все блестящее и принимает вид бриллианта, вставленного в красный перстень. Бриллиант превратился в кусочек Солнца — и венец невидим…».

Поражает прозорливость Циолковского: в повести «На Луне», написанной в 1887 г., он высказал предположения, которые были доказаны лишь много десятилетий спустя. Так, он весьма точно описал нагрев и охлаждение поверхности Луны, хотя достоверные сведения о температуре лунной поверхности были получены только в 1920-е гг.


Фотографирование Луны

Помимо визуальных наблюдений Луны можно проводить и фотографическое изучение ее поверхности. Благодаря большой яркости и значительным угловым размерам Луна является наиболее удобным для начинающих любителей астрономии объектом фотографирования. Для этой цели желательно иметь зеркальный фотоаппарат и объектив с фокусным расстоянием 200—500 мм. Светочувствительности цифровой камеры будет вполне достаточно, а для пленочной нужна фотопленка чувствительностью 100—400 единиц ГОСТ или ASA. Яркость лунного диска велика, поэтому можно применять короткие экспозиции. В полнолуние попробуйте выдержку 1/60—1/30с. при диафрагме 5,6—8. Во время лунного затмения применяйте выдержку в десятки секунд. При меньшей диафрагме изображение Луны может получиться недостаточно резким. Фотографируя молодую Луну, используйте более длительные выдержки, так как яркость лунной поверхности значительно возрастает к полнолунию. Размеры изображения Луны на фотопленке примерно в 100 раз меньше фокусного расстояния объектива. Следовательно, размер лунного диска на негативе, полученном с помощью 500-мм. объектива, будет около 5мм., а десятикратное увеличение при печати позволит получить фотографию Луны диаметром 50мм. Желательно установить фотоаппарат на надежном штативе, чтобы изображение Луны не «смазалось» от дрожания камеры.


По Луне измеряют время

Совершим небольшое путешествие в историю наших представлений о Луне. Именно Луна, а не яркое Солнце, была первым небесным объектом поклонения; во время лунных затмений совершали жертвоприношения, чтобы быстрее восстановился привычный порядок мироздания. «О, Луна — ты единая, проливающая свет, ты, несущая свет человечеству» — такой гимн, начертанный на клинописных табличках Месопотамии, нашли археологи. А древнеримский писатель Плутарх так говорил о влиянии Солнца и Луны на жизнь Земли: «Луна с ее влажным производительным светом способствует плодовитости животных и росту растений, но враг ее — Солнце с его уничтожающим огнем, который сжигает все живущее своим жаром и делает большую часть Земли необитаемой».

Природа подарила нам три периодических процесса: смену дня и ночи, фазы Луны и времена года. Считать время нужно было всегда, например, смена фаз Луны научила первобытного человека вести счет дням. Не случайно, по-видимому, что во многих языках слово «месяц» имеет общий корень со словами «Луна» и «измерять». Сравните латинские mensis (месяц) и mensura (мера), а также английские слова moon (Луна) и month (месяц). А в украинском языке эти понятия вообще выражаются одним словом — мiсяць.

Неудивительно, что многие древние народы связывали счет дней с фазами Луны. Например, на юго-западе Англии до наших дней сохранилась удивительная древняя обсерватория Стоунхендж (дословно — «каменный сарай»); ее возраст оценивают в четыре тысячи лет. Это сооружение в форме колец, состоящих из вертикально вкопанных в землю каменных монолитов. Строители Стоунхенджа могли рассчитывать фазы Луны и, возможно, даже предсказывать солнечные и лунные затмения.

Когда возникли рабовладельческие государства, у чиновников появилась необходимость строго вести счет дням. При этом особенно важно было учитывать циклы земледельческих работ. Так распространился солнечно-лунный календарь у многих народов Месопотамии. В новом календаре удалось при счете времени сочетать смену фаз Луны и времен года.

Однако научные знания о Ливании (древнееврейское название Луны) добывались крайне медленно. Выдающийся древнегреческий мыслитель Пифагор установил, что Луна светит отраженным светом: если бы она светилась сама, то отчего бы мы видели яркий лунный месяц рядом с темной стороной Луны? Позже стала общепризнанной система мира Клавдия Птолемея, согласно которой все планеты, Солнце и Луна обращаются вокруг Земли. Впрочем, древнегреческий философ Аристарх Самосский предполагал, что все планеты, включая Землю с Луной, обращаются вокруг Солнца. Но в ту эпоху восторжествовала теория Птолемея, поскольку в нее укладывалось большинство известных тогда фактов.

Современному человеку сложно понять мировоззрение древних греков и римлян. Как можно было «заставить» огромное слепящее глаза светило обращаться вокруг маленькой неподвижной Земли? Ведь наблюдения лунных затмений позволили древним грекам установить, что размер Земли в общем незначительно превышает размер Луны. Угловые размеры Солнца и Луны совпадают, а измерения показывают, что Солнце расположено от Земли значительно дальше Луны. Следовательно, Солнце намного больше Луны и, очевидно, больше Земли. Но истинная точка зрения рано или поздно торжествует, хотя труден и извилист путь познания.


Изучение Луны в телескоп

После падения Римской империи наступил тысячелетний период, который не принес практически ничего нового в копилку наших знаний о Луне. Напротив, широко распространились суеверия, пышным цветом расцвела средневековая астрология. Только в XV в. были выполнены зарисовки Луны великим живописцем, скульптором и ученым Леонардо да Винчи (1452—1519). Сами рисунки не сохранились, но из записных книжек гениального итальянца видно, что он дал правильное объяснение «пепельного света» Луны, что было в ту эпоху отнюдь не тривиально, поскольку утверждало идею единства природы «земных» и «небесных» явлений в противоположность многим богословским учениям. А самая ранняя из сохранившихся до настоящего времени лунных карт была составлена Уильямом Гильбертом в Англии в конце XVI в., естественно, без помощи телескопа. Вообще говоря, такие же карты Луны могли составлять и древние астрономы, например, греки эпохи Фалеса и Пифагора, но нам о них ничего не известно.

Летней ночью 1609 г. итальянский ученый Галилео Галилей направил на Луну только что изготовленный им телескоп — первый в истории астрономии. Удивлению Галилея не было конца: «Поверхность Луны неровная, шероховатая, испещренная углублениями и возвышенностями… Как поверхность нашего земного шара делится на две главные части, земную и водную, так и на лунном диске мы видим великое различие: одни большие поля блестят ярче, другие — слабее…». Легко догадаться, что в этом описании речь идет о лунных морях и материках. По длине теней от лунных горных хребтов Галилей оценил высоту лунных гор и заключил, что она сравнима с высотой земных гор.

По мере усовершенствования телескопа карты Луны становились все более точными, постоянно увеличивалось число деталей лунного диска, обнаруживались все более мелкие кратеры. Если вы посмотрите на Луну в 20-кратный бинокль, который по своим возможностям ни чем не уступает лучшим телескопам конца XVII в., то поймете, какое восхищение вызывала Луна у людей той далекой эпохи. Впрочем, спустя век после изобретения телескопа лунные исследования начали развиваться в несколько ином направлении. На первое место среди астрономических наук вышла небесная механика. Известные астрономы и математики активно разрабатывали теорию движения Луны, которая кроме чисто научного значение имела и важное прикладное: точные таблицы движения Луны помогали навигаторам определять время и географическую долготу. Для проверки теории и повышения ее точности астрономы определяли моменты покрытий звезд Луной; до сих пор эта работа дает интересные результаты.

В XIX в. большое развитие получили важные для астрономии разделы физики — оптика, электричество, магнетизм. В первых опытах по фотографии объектом съемки стала Луна (ок. 1840 г.), причем раньше, чем Солнце, которое впервые сфотографировали в 1842 г. На основе фотоснимков Луны были составлены ее первые фотографические карты. Преимущества фотографии очевидны: хотя опытный наблюдатель может зарисовать более мелкие детали лунной поверхности, но фотография значительно объективнее. После открытия невидимых для глаза инфракрасных и ультрафиолетовых лучей начали и Луну фотографировать в новых спектральных диапазонах. Когда изобрели прибор для измерения потока энергии от небесных объектов — болометр, сразу же начали измерять поток энергии от Луны. На основе этих измерений астрономы определили температуру лунной поверхности. «Луне поставили термометр!» — захлебывались от восторга журналисты.

В первой половине XX в. Луну продолжали активно исследовать при помощи спектрального анализа и поляриметрии. В Советском Союзе — в Москве, Харькове и Горьком (Н. Новгороде) — возникли научные коллективы, занятые изучением Луны. В 1940-е и 50-е гг., когда рождалась радиоастрономия, одним из первых ее объектов стала Луна. В 1946 г. от Луны впервые было принято радио-эхо; по времени прохождения сигнала от Земли к Луне и обратно с небывалой точностью было измерено расстояние до Луны. Сейчас радарное и лазерное зондирование Луны позволяет определять расстояние до нее с ошибкой не более нескольких сантиметров.

Помимо исследования отраженных Луной сигналов радиоастрономы обнаружили и собственное радиоизлучение нашего спутника. По особенностям этого излучения нижегородский радиоастроном B.C. Троицкий (1913—1996) установил, что на лунной поверхности нет многометрового слоя пыли, который предсказывали некоторые астрономы. Это было важно, так как создатели космической техники опасались, что лунная пыль помешает посадке и работе на поверхности Луны автоматических аппаратов и космонавтов. Близилась эра прямого изучения объектов Солнечной системы. Сколь ни были значительны добытые астрономами сведения о Луне, они меркнут перед результатами космических экспедиций.


Космические исследования Луны

Первыми «полеты» в космос совершили фантасты, пользуясь экзотическими способами передвижения: упряжкой из птиц, испаряющейся росой, воздушным шаром, ураганом, самодельными крыльями и орудийным снарядом. А герой Сирано де Бержерака смог долететь до Луны, подбрасывая магнит, притягивающий его железный экипаж. Английский поэт-романтик Байрон в «Дон Жуане» заметил: «И верно мы к Луне когда-нибудь благодаря парам проложим путь». Иоганн Кеплер в научно-фантастическом очерке «Сон, или последнее сочинение по лунной астрономии» так описывал полеты демонов к Луне: «Мы, демоны, подгоняем тела усилием воли и затем движемся перед ними для того, чтобы никто не ушибся при слишком сильном толчке о Луну».


Исследования Луны в 1950-70-е гг.

Полеты к Луне стали реальностью только с появлением реактивной техники. Космический период исследований Луны начался 2 января 1959 г., когда в сторону Луны был успешно запущен советский зонд «Луна-1», прошедший на расстоянии 6000 км. от ее поверхности. Впервые «Луна-2» достигла поверхности нашего естественного спутника 14 сентября 1959 г. Важнейшей задачей первых полетов было фотографирование обратной стороны Луны. Эта задача была решена быстро: советские «Луна-3» (1959 г.) и «Зонд-3» (1965 г.) передали снимки загадочной стороны Луны. К удивлению ученых, оказалось, что на скрытой от землян стороне лунного шара намного меньше морей, чем на видимой стороне.


В середине 1960-х гг. изображения Луны с близкого расстояния передали американские аппараты серии «Рейнджер», которые без торможения врезались в ее поверхность (тогда это называли «жесткой посадкой»), но при этом все же успевали передать изображения стремительно приближающейся лунной поверхности с разрешением до 30 см.

Мягкую посадку на Луну отрабатывали советские зонды «Луна-5, -6, -7, и -8». Первая успешная мягкая посадка на Луну удалась советскому аппарату «Луна-9» в феврале 1966 г. Именно тогда люди впервые увидели панораму лунной поверхности. Это произвело колоссальное впечатление во всем мире. Несколько месяцев спустя на орбиту вокруг Луны вывели ее первые искусственные спутники — «Луна-10» и «Лунар Орбитер-1». В те годы объем научной информации о Луне стремительно рос, поскольку развернулась настоящая гонка между двумя сверхдержавами — СССР и США — за честь первыми ступить на поверхность Луны. В конце 1960-х на Луну ежегодно отправляли 5—10 космических аппаратов! Шаг за шагом инженеры приближались к поставленной цели.


2 января 1959

«Луна-1»

СССР.

Первый полет к другому небесному телу. Прошел на расстоянии 5—6 тыс. км от Луны.


12 сентября 1959

«Луна-2»

СССР.

Впервые достигнута (14.9.1959) поверхность Луны (жестко). Установлено отсутствие у Луны радиационных поясов и магнитного поля.


4 октября 1959

«Луна-3»

СССР.

Получены первые фотографии обратной стороны Луны.


28 июля 1964

«Рейнджер-7»

США.

В процессе падения на Луну (31.7.1964) передано 4300 телеснимков поверхности.


18 июля 1965

«Зонд-З»

СССР.

Сфотографирована большая часть обратной стороны Луны, не охваченная «Луной-3».


31 января 1966

«Луна-9»

СССР.

Первая мягкая посадка на Луну (3.2.1966). Телепанорама поверхности.


31 марта 1966

«Луна-10»

СССР.

Первый искусственный спутник Луны.


30 мая 1966

«Сервейер-1»

США.

Первая управляемая посадка на Луну.


1966—1967

«Лунар Орбитер-1…-5»

США.

Детальное изучение и съемка Луны с орбиты ее искусственного спутника.


17 апреля 1967

«Сервейер-3»

США.

Анализ лунного грунта.


15 сентября 1968

«Зонд-5»

СССР.

Облет Луны с возвращением на Землю.


12 сентября 1970

«Луна-16»

СССР.

Лунный грунт доставлен на Землю.


10 ноября 1970

«Луна-17»

СССР.

На Луну доставлена (17.11.1970) самоходная лаборатория «Луноход-1», проработавшая около 11 месяцев и прошедшая путь в 10,5 км.


14 февраля 1972

«Луна-20»

СССР.

Впервые доставлены на Землю образцы грунта из горного района Луны.


8 января 1973

«Луна-21»

СССР.

На Луну доставлен (15.1.1973) «Луноход-2», прошедший за 5 лунных дней 37 км вблизи кратера Лемонье (на востоке Моря Ясности).


25 января 1994

«Клементина»

США.

Исследование Луны с полярной орбиты. Завершились 5 мая 1994 г. уходом с орбиты.


7 января 1998

«Лунар Проспектор»

США.

Исследования Луны с полярной орбиты. Падение (31.07.1999) в районе южного полюса.


27 сентября 2003

«Смарт-1»

Европа.

Съемка в разных диапазонах спектра для изучения химсостава поверхности. Упал на Луну 3 сентября 2006 г.


В 1968 г. был совершен облет Луны и возвращение космического аппарата на Землю (сначала без экипажа, а затем и с людьми на борту). Венцом американского плана исследований Луны стала реализация грандиозной программы «Аполлон». 20 июля 1969 г. состоялась посадка на Луну пилотируемого модуля космического корабля «Аполлон-11»: человек впервые ступил на поверхность иного небесного тела! С 1968 по 1972 гг. на Луне успешно побывало шесть экспедиций, и лишь одна оказалась неудачной («Аполлон-13»), хотя и ее экипаж благополучно вернулся на Землю. В общей сложности было доставлено 2196 образцов лунного грунта общей массой 382 кг.

Пилотируемые полеты по программе «Аполлон» (NASA,США)


«Аполлон-7». Вокруг Земли 11—21 октября 1968 г.

Уолтер Ширра, Уолтер Каннингем, Донн Эйзел.

Совершил 163 витка вокруг Земли. Маневрировал на орбите и сближался с последней ступенью ракеты-носителя.


«Аполлон-8». Полет к Луне 21—27 декабря 1968 г.

Фрэнк Борман, Уильям Андерс, Джеймс Ловелл.

Первый пилотируемый полет по маршруту Земля-Луна-Земля. Совершил 10 оборотов вокруг Луны.


«Аполлон-9». Вокруг Земли 3—13 марта 1969 г.

Джеймс Макдивитт,Рассел Швейкарт, Дейвид Скотт.

Перестроение отсеков на околоземной орбите. Автономный полет лунного модуля с двумя астронавтами. Выход в космос в лунном скафандре.


«Аполлон-10». Вокруг Луны 18—26 мая 1969 г.

Томас Стаффорд, Юджин Сернан, Джон Янг.

Совершен 31 оборот вокруг Луны. Отделение лунного модуля с имитацией посадки, но без касания поверхности Луны. Первая цветная телепередача из космоса.


«Аполлон-11». Посадка на Луну16—24 июля 1969г.

Нил Армстронг, Эдвин Олдрин, Майкл Коллинз.

Первая высадка на Луну 20 июля 1969 г. в Море Спокойствия. Пробыли на Луне 22 ч., совершив один выход на поверхность длительностью 2,5 ч. Удалялись на 30 м. Доставили 22 кг. грунта.


«Аполлон-12». Посадка на Луну14—24 ноября 1969 г.

Чарлз Конрад, Алан Бин, Ричард Гордон.

Посадка в Океане Бурь, рядом с «Сервейером-3». Пробыли на Луне 31,5 ч, вне корабля 7,8 ч., удаляясь на 450 м. Установили сейсмометры и др. приборы. Доставили 34 кг. грунта.


«Аполлон-13». Планировалась посадка на Луну11—17 апреля 1970 г.

Джеймс Ловелл, Фред Хейс, Джон Суиджерт.

В связи с аварией на корабле (взрыв баллона с кислородом для топливных элементов электропитания) посадку на Луну отменили. Совершив облет Луны, вернулся на Землю.


«Аполлон-14». Посадка на Луну 31 января—9 февр. 1971 г.

Алан Шепард, Эдгар Митчелл, Стюарт Руса.

Посадка у кратера Фра Мауро. Пробыв 33,5 ч., совершили два выхода (9,5 ч.). Использовали ручную тележку. Доставили 42 кг. грунта.


«Аполлон-15». Посадка на Луну 26 июля—7 августа 1971 г.

Дейвид Скотт, Джеймс Ирвин, Алфред Уорден.

Посадка в районе Хэдли-Апеннины. За 67 ч. три выхода (18,5 ч). Проехали 27 км. на ровере, удаляясь на 5 км. Доставили 77 кг. грунта, поднятого ручным буром с глубины до 2,7 м.


«Аполлон-16». Посадка на Луну 16—27 апреля 1972 г.

Джон Янг,Чарлз Дьюк, Томас Маттингли.

Первая высадка в высокогорном районе, близ кратера Декарт. За 71 ч. три выхода (20 ч). Проехали 27 км. Запустили спутник Луны. Доставили 96 кг. грунта с глубины до 3 м.


«Аполлон-17». Посадка на Луну 7—19 декабря 1972 г.

Юджин Сернан, Харрисон Шмитт, Рональд Эванс.

Сели в долине, к югу от кратера Литров и гор Тавр. За 75 ч. три выхода (22 ч). Проехали 36 км. со скоростью до 18 км/ч., удаляясь на 7 км. Доставили 111 кг. грунта. Шмитт — первый ученый на Луне (геолог).


Советскую программу пилотируемых полетов к Луне реализовать не удалось: достаточно мощная ракета-носитель не была создана в срок. Поэтому советские специалисты сосредоточились на беспилотных исследованиях Луны с помощью подвижных лабораторий «Луноход-1 и -2», а также станций «Луна-16, -20 и -24», оснащенных бурильным станком и возвращаемым на Землю аппаратом с образцами лунного грунта.


«Клементина» и «Лунар Проспектор» исследуют Луну

После 1976 г. экспедиции к Луне прекратились на 15 лет. Это не означает, что о Луне забыли. На ее поверхности несколько лет работали приборы (например, сейсмографы), доставленные экспедициями «Аполлон». Используя отражатели лазерного луча, закрепленные на советских и американских лунниках, астрономы с небывалой точностью измеряли расстояние до Луны и создавали новую теорию ее движения и внутреннего строения. Геологи, развивавшие новую науку — планетологию, внимательно изучали сотни килограммов лунного грунта, доставленного пилотируемыми и автоматическими аппаратами.

В 1990 г. космический зонд «Галилео» (США), запущенный для изучения системы Юпитера, попутно сфотографировал Луну в разных диапазонах излучения. В том же году Япония запустила к Луне зонд «Хайтен» (Muses-A), имевший на борту аппарат «Хагоромо» массой 12 кг., предназначенный стать спутником Луны, но этот аппарат был потерян. А сам зонд «Хайтен» совершил несколько маневров в поле Земли и Луны, побывал в окрестности точек L4 и L5 системы Земля-Луна (не обнаружив там избыточного количества межпланетной пыли) и даже совершил аэродинамическое торможение в атмосфере Земли (на высоте 125,5 км.), после чего стал спутником Луны и 10 апреля 1993 г. упал на ее поверхность. Новых данных о Луне этот аппарат практически не принес.

Спустя четыре года США отправили к Луне зонд «Клементина» («Clementine»), задачей которого было детальное исследование с низкой орбиты поверхности нашего спутника.

«Клементина» — необычный космический проект. Этот аппарат был разработан в рамках программы Стратегической оборонной инициативы (СОИ) Министерства обороны США, и вначале основной его целью было вовсе не изучение Луны, а испытание в длительном полете электронных компонентов, которые могли бы использоваться на военных спутниках. Предполагалось выполнить эту программу на околоземной орбите. Но ученые убедили военных, что если вывести аппарат на межпланетную траекторию, то можно провести испытания в условиях, «приближенных к боевым»: на более высоких космических скоростях и в условиях космической радиации. Поэтому в Пентагоне приняли решение отправить «Клементину» к Луне, попутно дооснастив ее комплектом научного оборудования.

Доработка «Клементины» шла в рамках новой американской стратегии исследования космоса, суть которой — создание легких, дешевых и высоконадежных аппаратов. Действительно, с уменьшением массы космического аппарата значительно увеличивается его надежность и, кроме того, для вывода таких аппаратов на требуемую орбиту можно использовать более дешевые маломощные ракеты. Масса «Клементины» вместе с топливом составила всего 424 кг. По форме аппарат напоминал цилиндр диаметром чуть более 1 м. и длиной около 2 м. Он потреблял небольшую электрическую мощность (360 Вт.), причем на долю научных приборов приходилось всего 60 Вт. При общей массе научной аппаратуры всего 8 кг. ее перечень впечатляет: камеры близкого и дальнего инфракрасного диапазонов, камера высокого разрешения, камера ультрафиолетового и видимого диапазона, лазерный дальномер, радиопередатчик. Достичь такой высокой «плотности» приборов оказалось возможным, применив самые современные технологии.

Запуск «Клементины» состоялся 25 января 1994 г. Почти месяц спустя, после ряда орбитальных маневров и испытаний оборудования, аппарат вышел на лунную орбиту и более двух месяцев проводил исследования, благодаря которым наши знания о Луне существенно обогатились. Два миллиона снимков Луны, включая еще не исследованные полярные области, были получены в 11-ти диапазонах видимого, инфракрасного и ультрафиолетового излучения с разрешением до 100 м.; сделано несколько десятков тысяч замеров высоты с точностью до 40 м. — планетологи впервые стали обладателями такой уникальной информации. В мае 1994 г. спутник покинул окололунную орбиту, чтобы встретиться с астероидом Географос, но из-за нештатной работы двигателя остался на околоземной орбите. Анализ данных, полученных «Клементиной» вблизи Луны, позволил сделать немало открытий.

Например, новые данные о лунном рельефе подтвердили существование древних, почти стертых ударных бассейнов, у которых не сохранился четкий вал, но еще заметна впадина на лунной поверхности. Впервые на их существование указали немногочисленные кольцеобразные структуры, попавшие на снимки, переданные американскими спутниками «Лунар Орбитер». Данные лазерного высотомера «Клементины» не только подтвердили существование таких структур, но и показали их значительную глубину — даже у наиболее стертых образований она составляет 5—6 км. В общей сложности теперь известно на Луне более сорока ударных бассейнов.

Особый интерес представляет гигантская ударная структура диаметром 2500 км. на обратной стороне Луны. Впервые ее заметили на снимках, доставленных на Землю советской автоматической станцией «Зонд-6» в 1968 г. Тогда наши ученые предложили назвать эту область Море Юго-Западное, но имеющихся в то время данных было недостаточно, чтобы надежно определить ее строение. Благодаря «Клементине» теперь стало ясно, что это самое значительное образование на нашем естественном спутнике. Его уже успели окрестить «бассейн Южный Полюс-Эйткен», поскольку центр этой области лежит между кратером Эйткен и южным полюсом Луны. По данным «Клементины» глубина этого гигантского бассейна составляет около 12 км. Если учесть его размеры, то окажется, что на сегодняшний день это самое большое из всех известных нам ударных образований в Солнечной системе. Представьте — его диаметр превышает 2/3 диаметра Луны!


Столкновение нашего естественного спутника с телом, породившим бассейн Южный Полюс-Эйткен, произошло на самой ранней стадии истории Луны — около 4 млрд. лет назад. Скорее всего, тело, упавшее в этом месте, проникло на глубину в 120 км., достигнув верхней мантии. Будь это тело чуть крупнее, Луна могла бы не пережить такую катастрофу и расколоться на множество фрагментов.

Основной задачей «Клементины» была съемка всей поверхности Луны в различных диапазонах излучения — от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного. Астрономы впервые получили спектральные изображения нашей соседки, сделанные с одинаковым угловым разрешением и при одинаковых условиях ее освещенности Солнцем. Поскольку разные минералы по-разному отражают солнечный свет, сравнение снимков одной и той же области в разных лучах позволили составить подробную геологическую карту Луны. По этим снимкам, например, можно будет выявить на лунной поверхности весьма важный для жизнеобеспечения будущих лунных баз кислородосодержащий минерал — ильменит.

Изучение снимков гигантского бассейна Южный Полюс-Эйткен показало наличие там вещества, богатого железом и титаном. По-видимому, оно было выброшено на поверхность из лунных недр во время взрыва в момент падения тела, породившего этот бассейн. Теперь геологам, чтобы узнать состав лунных недр четыре миллиарда лет назад, достаточно будет внимательно изучить то, что находится на поверхности этого гигантского ударного образования. Но самым значительным открытием, безусловно, стало обнаружение на Луне водяного льда. Впрочем, для ученых, готовивших полет «Клементины», это не стало неожиданностью: поиск ледяных шапок на полюсах Луны был целью одного из экспериментов. Еще задолго до полета родилась идея: поскольку вблизи лунных полюсов Солнце не поднимается высоко и поэтому не может осветить дно глубоких кратеров, там вполне могли бы сохраниться залежи водяного льда. Источником воды могут быть как ядра упавших на Луну комет, так и недра самой Луны.

«Клементина» искала лед методом радиозондирования: с помощью своего передатчика аппарат облучал лунную поверхность, а отраженный сигнал принимали на Земле и по его спектру судили о веществе, от которого он отразился. Буквально первое же зондирование района южного полюса показало, что интенсивность и поляризация радиоэха от небольшой области между полюсом и кратером Амундсен резко отличались от значений, характерных для обычного лунного грунта, но оказались близки к данным для Гренландии и ледяных галилеевых спутников Юпитера.

Разумеется, данные «Клементины» — это лишь косвенное свидетельство присутствия льда на Луне; их еще необходимо подтвердить прямыми исследованиями. Но даже если лед там есть, то получить из него воду будет не так-то просто, ведь он должен содержать огромное количество примесей. Но какой бы грязной ни была эта вода, для лунных колонистов окажется значительно проще и дешевле добывать ее из полярных шапок, чем привозить с Земли. Кроме того, разделяя воду с помощью солнечной электроэнергии на водород и кислород, можно будет использовать их в качестве горючего.

Известие о возможности существования залежей водяного льда у лунных полюсов усилило интерес к спутнице Земли. В январе 1998 г. к ней отправился американский зонд «Лунар Проспектор» («Lunar Prospector», Лунный изыскатель), чтобы получить подробные карты химического состава поверхности и уточнить параметры магнитного поля Луны. Став «спутником спутника», он оказался на низкой орбите высотой около 100 км. Среди его приборов были гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр, с помощью которых проверяли данные «Клементины» о присутствии льда на Луне. Измеряя поток нейтронов, испускаемых лунным грунтом под действием космических лучей, можно оценить содержание водорода в реголите. Нейтронный спектрометр «Лунар Проспектора» уверенно зарегистрировал уменьшение средней энергии медленных нейтронов на дне вечно затененных кратеров в полярных областях Луны. Это весьма надежно указывает на присутствие в «холодных ловушках» нескольких сотен миллионов тонн водорода, возможно, в виде водяного льда. К сожалению, на полюсах Луны нет сплошных снежных шапок, как в Антарктиде или на Марсе. В смеси лунного реголита с водяным льдом максимально возможная доля льда составляет всего 1—2% по массе.

После получения предварительных данных о запасах лунного льда «Лунар Проспектор» перевели на еще более низкую орбиту высотой всего 30 км. Любопытно, что были предложения перевести аппарат на орбиту высотой 10 км.(!), но их отклонили, учитывая, что некоторые лунные горы возвышаются на несколько километров. Напомним, что спутники Земли не могут обращаться на столь низких орбитах из-за наличия атмосферы у нашей планеты.

Анализ данных, полученных с низкой орбиты, подтвердил наличие на Луне соединений водорода. После этого решено было закончить жизнь «Лунар Проспектора» нестандартным образом: 31 июля 1999 г. по команде с Земли он сошел с орбиты и упал в районе южного полюса Луны. Ученые надеялись, что этот удар выбросит в окололунное пространство водяной пар, который можно будет зарегистрировать с Земли в телескоп. Но даже космический телескоп «Хаббл» не смог обнаружить признаки пара после падения зонда на Луну. А ведь этот телескоп очень зоркий: если бы в результате удара о Луну было выброшено всего 30 кг. водяных паров, он бы это заметил…


«Смарт-1» и другие

Неудача эксперимента по добыванию лунной воды не повлияла на решимость ученых продолжать ее поиски. В 2003 г. с помощью собственного спутника начало исследования Луны Европейское космическое агентство (ЕКА). Первый европейский лунный зонд назвали «Смарт-1» (SMART — Small Missions for Advanced Research in Technology, Малые экспедиции для передовых технологических исследований). Это был куб размером около 1 м. и массой 367 кг. с двумя «крыльями» солнечных батарей, раскинувшимися на 14 м. Они выдавали около 2 кВт. электроэнергии, необходимой для работы ионного двигателя малой тяги, проходившего испытания на этом аппарате. «Смарт-1» был выведен в космос 27 сентября 2003 г. в 23:14 UT ракетой «Ариан-5» с космодрома Куру во Французской Гвиане, и его путешествие к Луне было долгим. За первые 80 дней полета перигейная высота орбиты увеличилась лишь до 20 тыс. км. Затем она постепенно возросла до 200 тыс. км., после чего аппарат совершил три гравитационных маневра в поле Земли и Луны: в декабре 2004 г., в январе и феврале 2005 г. В марте 2005 г. аппарат был захвачен Луной на вытянутую полярную орбиту и к апрелю 2005 г. перешел на круговую орбиту. Более года он фотографировал поверхность Луны с высоким разрешением, в особенности полярные области; проводил наблюдения спектра поверхности в инфракрасном диапазоне, направленные на поиски льда и замерзшего углекислого газа. По этим данным была составлена первая глобальная карта химического состава лунной поверхности. «Смарт-1» также провел некоторые исследования Солнца. Затем аппарат был сведен с орбиты и 3 сентября 2006 г. упал на Луну в области Lacus Excellentiae (33° ю.ш., 46° з.д.). Вспышку от удара и мощный выброс пылевого облака с поверхности Луны зафиксировали крупные наземные телескопы.

Для окончательного решения вопроса о лунной воде в США разрабатывают аппарат, способный доставить на Землю вещество с лунного Полюса холода — из глубокого кратера вблизи Южного полюса. А пока продолжаются дистанционные исследования. В Японии создан космический зонд «Кагуя» («KAGUYA», прежнее имя — SELENE, SELenological and ENgineering Explorer) массой около 3 тонн и размером 5×2×2 м. Он стартовал к Луне 14 сентября 2007 г. и спустя несколько дней достиг окрестностей Луны. Зонд будет работать на круговой полярной орбите высотой 100 км. На этом аппарате установлены радар, лазерный альтиметр, рентгеновский- и гамма-спектрометры, магнетометр, приборы для исследования межпланетной плазмы и несколько телекамер, дающих изображение лунной поверхности с разрешением до 10 м.

Выйдя на окололунную орбиту, «Кагуя» выпустил в свободный полет два мини-спутника; масса каждого около 50 кг. Один из них будет служить ретранслятором для связи с основным зондом, когда тот скрыт от нас за диском Луны. А за вторым мини-спутником, снабженным специальным радиопередатчиком, будут наблюдать наземные радиоинтерферометры. Цель этих наблюдений — изучить неоднородности гравитационного поля Луны. Для этого нужно выяснить, насколько сильно спутник отклоняется от идеальной орбиты. До сих пор за движением спутников Луны следили только доплеровским методом, измеряя вариации частоты приходящего радиосигнала. Этот метод позволяет выявлять неоднородности поля (например, области повышенного тяготения — масконы) в центральной области видимого диска, где, поднимаясь или проваливаясь, спутник движется вдоль луча зрения и демонстрирует заметный доплер-эффект. Но вблизи лимба Луны доплеровский метод не работает. Поэтому создатели «Кагуя» решили с помощью радиоинтерферометров следить за угловыми перемещениями спутника. Это позволит изучить гравитационное поле Луны в ее краевых зонах. В дальнейшем Япония намерена изучать Луну с помощью еще более мощных космических аппаратов (на 2012-13 гг. намечен запуск SELENE-2).

Китайский спутник «Chang’e-1» успешно стартовал к Луне 24 октября 2007 г. Его масса 2,4 тонны, рабочая орбита высотой 200 км. должна быть наклонена к экватору Луны на угол 64°. Задача спутника — съемка поверхности Луны для выбора места посадки будущей пилотируемой экспедиции. В апреле 2008 г. намечен запуск к Луне орбитального аппарата «Chandrayaan-1» (Индия) массой 0,5 тонны. Его телекамеры должны показать лунную поверхность с разрешением 5 метров. А в октябре 2008 г. в США намечен запуск тяжелого спутника «Lunar Reconnaissance Orbiter» для детального исследования поверхности Луны с оптическим разрешением 0,5 м. В паре с ним полетит небольшой зонд, который проследит за падением последней ступени ракеты-носителя на дно одного из полярных кратеров: быть может там обнаружатся залежи льда?

Есть проекты исследования Луны и в России. Возможно, в ближайшие годы к ней отправится космический аппарат, с борта которого в район южного полюса для изучения лунных льдов будут сброшены пенетраторы, подобные тем, что были установлены на российском зонде «Марс-96». В общем, космические исследования Луны продолжаются, и самое интересное, как всегда, впереди.


Возможна ли жизнь на Луне?

С давних пор, еще не имея представления о природе иных небесных тел, человек задавался вопросом — насколько похожи их условия на земные, и вообще — насколько широко распространена жизнь во Вселенной. В XIX в. популярна была точка зрения, что жизнь возможна в различных уголках Солнечной системы, в том числе и на Луне. Французский астроном и пропагандист науки Камиль Фламмарион (1842—1925) в своих книгах населял Луну разнообразными живыми существами. Английский писатель Герберт Уэллс (1866—1946) считал возможным присутствие на Луне существ, подобных муравьям. Но космические исследования рассеяли даже тень такой надежды: на Луне жизни нет и никогда не было!

Жизнь на Земле существует лишь потому, что на нашей планете есть достаточно плотная атмосфера и жидкая вода — универсальный растворитель органических веществ. На Луне нет ни того, ни другого! Ее масса в 81 раз меньше земной, а сила тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле. Небесное тело с таким слабым притяжением не способно удержать атмосферу. Лишь при падении крупных ледяных комет на Луну вокруг нее может возникать очень разреженная временная атмосфера. Но по прошествии нескольких тысячелетий, — срок ничтожный по космическим меркам, — этот газ покинет окрестности Луны.

Строго говоря, у Луны все же есть атмосфера: по исследованиям американских астронавтов концентрация газа в окололунном пространстве в тысячи раз превышает его концентрацию в межпланетном пространстве. В кубическом сантиметре окололунного пространства количество газовых частиц в ночное время превышает 105, а в дневное снижается до 104. Основные компоненты газовой оболочки Луны — водород, гелий, неон и аргон. Напомним, что у поверхности Земли концентрация молекул воздуха равна 2,7×1019 см—3. Иными словами, в литровой банке земного воздуха содержится столько же молекул, сколько в кубическом километре окололунного пространства!

Естественно, крайне разреженная атмосфера Луны не способна сгладить разницу дневной и ночной температуры поверхности. На лунном экваторе в полдень поверхность накалена до +130°С, а перед рассветом ее температура опускается до —170°С. Для сравнения: на Марсе, у которого плотность атмосферы в 200 раз меньше земной, суточное колебание температуры достигает 100°С. Впрочем, давления марсианской атмосферы недостаточно, чтобы на поверхности красной планеты могла существовать жидкая вода (хотя ученые не исключают, что в прошлом давление воздуха было выше, и на Марсе существовали океаны). Но условия для жизни на Луне всегда были значительно хуже марсианских.

Тем не менее, до получения результатов космических экспедиций существовали оптимисты, считавшие, что раньше на Луне условия для жизни были более благоприятны. Действительно, если предположить, что Луна содержала воду, то это могло способствовать развитию оригинальных лунных форм жизни или же земных организмов, каким-то образом занесенных на Луну (например, при сверхмощных извержениях земных вулканов или в результате взрывов, вызванных падением на Землю астероидов). Предполагалось, что за миллиарды лет, пока Луна теряла воду и атмосферу, микроорганизмы могли бы адаптироваться к условиям лунной поверхности…

Однако детальный химический анализ образцов лунного грунта, доставленных на Землю, ясно указал на отсутствие любых форм жизни на Луне. Ученые помещали лунный грунт в самые благоприятные для жизни условия: постоянная температура, обилие солнечного света и питательных веществ. Но лунные микробы никак себя не проявляли. Следы прошлой лунной жизни искали палеонтологи, используя мощные микроскопы. Но и они ничего не нашли. Единственное, что обнаружили ученые, — это простые органические соединения из атомов углерода, азота, кислорода и водорода. Но органики на Луне так мало, что ее происхождение легко объяснить и при отсутствии жизни.


Строение и история Луны. Поверхность Луны и ее недра

Доставку лунного грунта на Землю с большим нетерпением ожидали не только биологи и астрохимики, но и геологи. Еще бы, какого геолога оставят безразличным камни с иного небесного тела! Однако лунная минералогия оказалась довольно бедной: на Земле существует несколько тысяч минералов, а на Луне их пока открыто не более сотни. Впрочем, это легко объяснить: на Луне нет жидкой воды и атмосферы, поэтому условия формирования минералов там значительно менее разнообразны, чем на Земле. Впрочем, приятный сюрприз геологам Луна преподнесла: при анализе лунного грунта обнаружили несколько минералов, никогда не встречавшихся на Земле. Особенно интересно, что лунные частицы железа не страшатся действия земной атмосферы, тогда как изготовленные на Земле железные изделия легко ржавеют. Оказалось, что лунное железо не ржавеет (по-научному, не подвергается коррозии) потому, что его поверхность долго облучалась ионами — частицами солнечного ветра.

Это открытие имеет большое практическое значение, ведь сейчас каждая шестая мартеновская печь в мире работает на коррозию. Сейчас инженеры, имитируя лунные условия, учатся облучать потоком ионов важные металлические детали, чтобы сделать их устойчивыми к коррозии.

Лунный грунт детально исследован в лабораториях самыми современными методами. Основные обнаруженные в нем химические элементы — это кислород, кремний, железо, титан, магний, кальций и алюминий. Оказалось, что темные лунные материки сложены из базальтов — плагиоклаза, оливина, пироксена, ильменита. В лунных базальтах найдены благородные металлы — серебро и золото, но их содержание значительно меньше, чем в земных базальтах. Очень мало в лунных камнях и некоторых других металлов, например, индия и цинка. А грунт материковых районов Луны состоит из анортозитов — довольно редких на Земле минералов.

Анализ лунной пыли показал, что содержание легкого изотопа благородного газа гелий-3 в микронных лунных пылинках значительно превышает его содержание в земных породах. Это открытие взволновало ученых: ведь гелий-3 может служить прекрасным термоядерным топливом. Когда физики закончат создание работоспособного термоядерного реактора, Луна могла бы стать поставщиком топлива для них и обеспечить человечество энергией на многие сотни лет. Правда, при этом Луна, покрытая множеством фабрик по извлечению гелия, может потерять свое очарование.

А много ли на Луне пыли? По данным космических экспедиций, а также по наблюдениям радиоизлучения Луны установили, что ее поверхность покрывает слой пыли толщиной от нескольких миллиметров до десятка сантиметров. Значит, человек совершенно спокойно может ходить по поверхности нашего естественного спутника, не опасаясь утонуть в пыли. Благодаря тому, что лунная пыль крайне плохо проводит тепло, солнечные лучи не могут прогреть грунт на значительную глубину: в лунный полдень, когда температура на поверхности +130°С, на глубине в несколько сантиметров она чуть выше нуля. А на глубине в 1—2 м. температура грунта вообще не зависит от времени суток: там всегда холодно, около —15°С, но ведь будущие исследователи Луны могут поставить обогреватель в своей землянке (или лунянке?).

Интересные результаты дало изучение лунных камней под электронным микроскопом, который позволил различить форму мельчайших кристалликов. На поверхности лунных образцов найдены крохотные кратеры микронного размера, напоминающие своей формой крупные лунные кратеры, такие как Тихо или Коперник. Микрократеры на лунных камнях образуются от ударов быстрых межпланетных частиц микронного размера, для которых ничтожная газовая оболочка Луны не служит препятствием.

Экипажи «Аполлонов» и станции «Луна» доставили на Землю образцы лунного грунта, добытые с глубины до 2,5 м. А что находится еще глубже? Ответить на этот вопрос помогли исследования сейсмической активности Луны. Американские астронавты установили на лунной поверхности сейсмодатчики, регистрирующие ничтожные колебания грунта. Луна стала вторым объектом Солнечной системы после Земли, недра который были изучены сейсмическими методами. Источником колебаний служат удары метеоритов и лунотрясения, вызванные приливным влиянием Земли. По данным о скорости распространения сейсмических волн в недрах Луны ученые установили, что она имеет кору, мантию и ядро диаметром в несколько сотен километров, состоящее из железа и сульфида железа.


Астронавты измерили тепловой поток из недр Луны; оказалось, что он всего лишь в несколько раз меньше, чем у Земли. Значит, лунные недра еще не успели полностью остыть. Поскольку Луна значительно меньше Земли, давление в ее центре составляет 4×109 Па., что в 150 раз меньше, чем в центре Земли. Значительно ниже в центре Луны и температура: 1000—1500 К., тогда как у Земли 4000—5000 К.

Наблюдение за движением искусственных спутников Луны показало, что Луна не совсем однородна и симметрична. Обнаруженные гравитационные аномалии указывают на наличие локальных концентраций массы, названных «масконами» (от англ. mass concentration). Наиболее крупные масконы создают избыток около одной стотысячной от массы Луны. Плотность вещества лунных недр медленно растет с глубиной. В общем, меньшая масса Луны стала причиной более слабой дифференциации ее недр и более простого строения по сравнению с Землей.


Прошлое Луны и гипотезы о ее происхождении

Планетологов интересуют не только нынешние условия на телах Солнечной системы, но и какими они были в прошлом. Мы знаем, что недра Земли живут активной жизнью. На земной поверхности вздымаются и опускаются горные хребты, медленно перемещаются континенты, извергаются вулканы и происходят землетрясения. А на Луне все иначе. Благодаря своей малой массе она давно израсходовала запас внутреннего тепла. Лик Луны сформировали не растущие горы и дрейфующие материки, а внешние события — удары астероидов и комет, создавшие израненную кратерами и давно застывшую поверхность Луны.

Тот факт, что возраст большинства крупных лунных кратеров оценивается в 1—3 млрд. лет, может показаться удивительным. Ведь Луна, как и Земля, сформировалась 4,5 млрд. лет назад. Но на Земле мы не обнаруживаем следы кратеров старше нескольких сотен миллионов лет. Почему же на Луне значительно более древние кратеры прекрасно сохранились? Причина этого — холодные недра и отсутствие атмосферы; маленькая Луна постарела намного раньше Земли. Когда-нибудь и у Земли охладятся недра, перестанут извергаться вулканы, не будет землетрясений. Холодная старая Луна — это будущее Земли.

Теперь заглянем в прошлое Луны. С тех пор, как на Земле появился человек, на Луне не образовалось ни одного крупного кратера. Падение массивных тел на Луну в нашу эпоху — событие редкое. Даже относительно молодой кратер Коперник возник около миллиарда лет назад. Однако на ранней стадии эволюции Солнечной системы, когда в межпланетном пространстве было еще много «космического мусора», столкновения крупных обломков с Луной происходили намного чаще.

В ту же далекую эпоху существовал и лунный вулканизм, имевший, вероятно, два пика активности: 3,2 и 3,7 млрд. лет назад. При извержении вулканов лунную поверхность заливала базальтовая лава. Самые крупные из залитых лавой низменностей мы называем морями; они заметно темнее материковых возвышенностей. Хотя подавляющее большинство кратеров на Луне возникло от ударов астероидов и ядер комет, некоторые из лунных кратеров все же имеют вулканическое происхождение. Как пример укажем до краев заполненный лавой кратер Варгентин, лежащий южнее Моря Влажности, близ крупного кратера Шиккард.


Рис. Кратер Варгентин (справа).


Некоторые наблюдатели отмечали изменения деталей поверхности в районе кратера Альфонс, а пулковский астроном Николай Александрович Козырев (1908—1983) получил в 1958 г. спектрограмму, указывающую на выделение газа из центральной горки этого кратера. Указанием на былую тектоническую активность служит знаменитая Прямая Стена в Море Облаков: этот 125-километровый уступ высотой 200—300 м., вероятно, образован при перемещении плит лунной коры.


Рис. Прямая Стена в Море Облаков.


Из-за приливного действия Земли на обратной стороне Луны толщина коры составляет 100 км., а на видимом полушарии кора вдвое тоньше. Поэтому извержение лав из лунных недр легче происходило на видимом полушарии, большинство вулканических центров Луны находится на ее видимой стороне, а морей на видимой стороне значительно больше, чем на обратной стороне. Луна тоже влияет на Землю своим гравитационным полем, вызывая, например, морские приливы и отливы. Любопытно, что обратное влияние земных приливных выступов на Луну вызывает ее постепенное удаление от Земли. Наступит время, когда Луна удалится от нас настолько, что с поверхности Земли перестанут быть видны полные солнечные затмения. А в период своей юности Луна была значительно ближе к Земле, чем сейчас, и совершала оборот вокруг Земли всего за несколько суток; в ту эпоху морские приливы были гораздо выше нынешних. За удаление от нас Луны, в силу закона сохранения момента импульса, Земля платит постепенным замедлением своего вращения. Расчеты показывают, что миллиард лет назад земные сутки были на 4 часа короче современных. Примерно через 5 млрд. лет вращение Земли затормозится настолько, что она будет совершать за год всего 9 оборотов вокруг своей оси; к тому моменту и удалившаяся Луна будет совершать за год 9 оборотов вокруг Земли. Начиная с той эпохи и уже навсегда, с Луны будет видна только одна половина земного шара (интересно, какая?).

В то время, как будущее Луны для нас уже не тайна, ее происхождение представляется весьма туманно. Система Земля-Луна уникальна: среди планет земной группы еще лишь Марс имеет двух маленьких спутников, вероятно, захваченных из пояса астероидов. Крупных спутников, подобных Луне, имеют Юпитер, Сатурн и Нептун, но эти планеты-гиганты совсем не похожи на Землю. Поэтому некоторые астрономы рассматривают систему Земля-Луна как двойную планету.

Из многочисленных гипотез о происхождении Луны упомянем лишь самые популярные. Серьезно изучалась возможность отрыва Луны от быстро вращавшейся Земли, но эта идея не получила подтверждения при проведении космических исследований Луны. Не популярна нынче и гипотеза захвата уже «готовой» Луны гравитационным полем Земли: Луна не похожа на рядовую «малую планету», химический состав лунного грунта, кажется, существенно отличается от состава астероидов.

Сейчас спор идет между двумя теориями происхождения Луны. Согласно первой, наш спутник сформировался из роя частиц, обращавшихся вокруг растущей молодой Земли. Вторая теория причиной появления на свет Луны считает катастрофический удар крупного космического тела размером с Марс о поверхность Земли. Такой удар мог сорвать часть земной мантии и выбросить ее на околоземную орбиту, где из нее сформировалась Луна. Действительно, состав Луны напоминает земную мантию.

До сих пор ни одной из конкурирующих теорий не удалось объяснить все особенности системы Земля-Луна. Может быть, это удастся сделать в рамках новой гипотезы, которую предложат наши читатели?


Литература

Атлас обратной стороны Луны. Ч. 1. М.: Изд-во АН СССР, I960; Ч. 2. М.: Наука, 1967; Ч. 3. М.: Наука, 1975.

Атлас планет земной группы и их спутников. М.: Наука, 1990.

Бронштэн В.А. Как движется Луна? М.: Наука, 1990.

Вдовыкин Г.П. Экзобиология Луны. М.: Наука, 1975.

Вуд Д.Э. Солнце, Луна и древние камни. М.: Мир, 1981.

Галкин И.Н. Внеземная сейсмология. М.: Наука, 1988.

Дагаев М.М. Солнечные и лунные затмения. М.: Наука, 1978.

Кауфман У. Планеты и луны. М.: Мир, 1982.

Копал 3. Луна. М.: Изд-во иностр. лит., 1963.

Куликов К.А. Первые космонавты на Луне: Описание Луны и астрономических явлений, наблюдаемых с ее поверхности. М.: Наука, 1965.

Куликов К.А., Гуревич В.Б. Новый облик старой Луны. М.: Наука, 1974.

Куликовский П.Г. Справочник любителя астрономии. М.: Эдито-риал УРСС, 2002.

Линк Ф. Лунные затмения. М.: Изд-во иностранной лит. 1962

Мелешков С.С. Методические рекомендации по проведению наблюдений нестационарных явлений на Луне сайт «Астронет» http://www.astronet.rU/db/msg/l 177124/16.html

Сикорук Л.Л., Шпольский М.Р. Любительская астрофотография. М.: Наука, 1986.

Сытинская Н.Н. Луна и ее наблюдение. М.: Гостехиздат, 1956.

Сытинская Н.Н. Природа Луны. М.: Физматгиз, 1959.

Уиппл Ф. Земля, Луна и планеты. М.: Наука, 1967.

Циолковский К.Э. На Луне. М.: Детская литература, 1988.

Уманский С.П. Луна — седьмой континент. М.: Знание, 1989.

Шевченко В.В. Современная селенология. М.: Наука, 1980.

Шевченко В.В. Луна и ее наблюдение. М.: Наука, 1983.

Прекрасная коллекция фотографий и карт Луны находится на сайте Института Луны и планет (США, http://www.lpi.usra.edu).

Доступ к картам — http://www.lpi.usra.edu/resources/mapcatalog/.

Доступ к коллекциям фотографий, включая экспедиции «Аполлон» — http://www.lpi.usra.edu/resources/lunar_atlases/.

Очень много интересного о Луне вы найдете на сайте NASA — http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/planets/moonpage.html


Глава IV


МЕРКУРИЙ


Характеристики Меркурия

Большая полуось орбиты

0,387 а.е.=58 млн. км.


Сидерический период обращения («год»)

87,968 сут.=0,241 лет.


Синодический период (средний)

115,88 сут.=0,317 лет.


Сидерический период вращения («звездные сутки»)

58,6461 сут.


Наклонение орбиты к эклиптике

7,004°.


Эксцентриситет орбиты

0,206.


Средняя орбитальная скорость

48 км/с.


Наклон экватора к орбите

0,01°.


Масса

3,303×10

23

кг.=5,5% М

⊕


Средняя плотность

5,44 г/см

3

.


Экваториальный радиус R

e

2439,7 км.


Ускорение свободного падения

3,70 м/с

2

.


Скорость ускользания (2-я космическая)

4,2 км/с.


Безразмерный момент инерции (в единицах MR

2

)

0,324.


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,119.


Геометрическое альбедо (визуальное)

0,106.


Поток солнечного излучения у поверхности

9127 Вт/м

2

.


Полное поглощаемое излучение

1,6×10

11

МВт.


Эффективная температура поверхности

443 К.


Магнитный момент диполя

0,0033 Гс

Re3

.


Наклон оси дипольного компонента к оси вращения

169°.


Спутников

нет.


Меркурий — ближайшая к Солнцу планета и одна из ближайших к Земле. Минимальное расстояние до него в нижнем соединении всего 80 млн. км, но наблюдать его в это время не удается как из-за яркого света Солнца, так и потому, что к Земле в этот период обращена его ночная сторона. Но и в наибольшей элонгации (18-28°) Меркурий можно наблюдать только на фоне довольно светлого сумеречного неба в течение короткого времени после захода Солнца или перед его восходом. Тем не менее, увидеть Меркурий нетрудно, если только знать короткие календарные периоды его видимости, знать, где его искать и помнить, что он виден очень недолго, теоретически не более 1,5 ч., а практически намного меньше. В дневное время его можно видеть только с помощью телескопа, причем различить какие-либо детали на нем практически не удается.


Распределение энергии по спектру отраженного какой-то поверхностью света позволяет сравнить состав поверхности со свойствами известных горных пород. Такие измерения называют спектрофотометрическими. Они показывают, что по своим свойствам поверхностные породы многих областей Меркурия напоминают материковые породы Луны, хотя и несколько светлее их. Из наземных телескопических наблюдений давно были найдены основные характеристики орбиты Меркурия она наклонена к плоскости эклиптики на 7° и сильно вытянута: при среднем расстоянии от Солнца в 0,39 а.е. Меркурий приближается к нему в перигелии до 0,31 а.е. и удаляется в афелии до 0,47 а.е. Орбитальная скорость планеты в среднем составляет 48 км/с., а в максимуме (в перигелии) достигает 54 км/с., что почти вдвое превышает скорость Земли. Сидерический период обращения вокруг Солнца составляет 88 сут.

До начала космических исследований диаметр планеты был известен неточно, а оценка его массы и средней плотности была затруднена из-за отсутствия спутников. Ошибочно считалось, что период вращения планеты совпадает с периодом ее обращения вокруг Солнца, в результате чего она постоянно обращена к светилу одной стороной; утверждалось, что на одном полушарии Меркурия вечный зной, а на другом — вечный космический холод. Но оказалось, что Солнце освещает оба полушария планеты, а единственные области, где оно никогда не восходит — глубокие долины на полюсах Меркурия.

Атмосфера у Меркурия крайне разрежена, в миллионы раз менее плотная, чем у Земли, причем с необычным газовым составом. В 1974 г. американский зонд «Маринер-10» был выведен на орбиту спутника Солнца и в 1974—1975 гг. трижды сблизился с Меркурием. По существу, все основные данные о физике планеты и ее изображения были получены в этих сближениях. Следующим исследователем Меркурия должен стать зонд MESSENGER (MErcury Surface, Space Environment, GEochemistry and Ranging) запущенный NASA 3 августа 2004 г. Он дважды пролетит мимо Меркурия (в 2008 и 2009 гг.), а затем, в 2011 г., выйдет на орбиту вокруг него.

Ранее высказывались предположения о возможном существовании еще одной небольшой планеты внутри орбиты Меркурия (ее хотели назвать Вулканом). Но такой планеты нет. Меркурий — ближайшая к Солнцу планета.


Особенности движения Меркурия

Первые сомнения по поводу синхронности суточного вращения и орбитального обращения Меркурия принесли наблюдения теплового излучения планеты, выполненные в 1962 г. Если исходить из синхронного вращения, с вечным днем на одной стороне и вечной ночью на другой, то средние температуры полушарий должны составить 880 и 60 К (т.е. около +600°С и —210°С). Принятое от поверхности Меркурия тепловое радиоизлучение (с глубины около 10 см.) показало, что дневная сторона не так горяча, как ожидалось, а от ночной исходит ощутимый поток тепла. Поскольку атмосферы нет, а перенос тепла сквозь твердое тело планеты пренебрежимо мал, был сделан вывод о несинхронном вращении планеты. Но действительность оказалась еще интереснее: Меркурий находится в резонансном, но несинхронном вращении. Эти данные были получены с помощью наземной планетной радиолокации в 1965 г. (она же позволила в 1967 г. определить радиус планеты с ошибкой всего в 5 км.).

Сравнивая период обращения Меркурия вокруг Солнца (87,97 сут.) с периодом его осевого вращения (58,65 сут.), мы видим, что они находятся в точном соотношении 3:2. Значит, за год планета совершает полтора оборота вокруг оси. Проходя через любую конкретную точку орбиты, он через раз подставляет Солнцу одно и то же полушарие, а через раз — ему противоположное.


Поэтому солнечные сутки длятся на Меркурии вдвое дольше его года и втрое дольше его звездных суток (т.е. 176 земных суток). Температура поверхности Меркурия достигает наибольшего значения в двух диаметрально противолежащих областях, которые попеременно оказываются подсолнечными, когда планета проходит перигелий. Одна из них получила название Planitia Caloris (равнина Жары).

До сих пор у нас нет полной карты Меркурия, поскольку сближения «Маринера-10» с ним происходили так, что каждый раз аппарат передавал изображения одного и того же освещенного Солнцем полушария планеты. По этой причине до первого пролета «Мессенджера» (14 января 2008 г.) было картировано только 35% поверхности планеты. Чтобы исправить перегиб в пользу ученых, образовавшийся на картах Луны и Марса, астрономы решили называть детали рельефа Меркурия именами писателей, музыкантов, художников и поэтов. На карте Меркурия можно встретить имена Баха, Толстого, Шекспира, Бетховена…


Близость периодов осевого вращения и орбитального обращения, а также большой эксцентриситет орбиты Меркурия приводят к тому, что Солнце в своем видимом движении по небу планеты останавливается и даже возвращается назад. В некоторых областях восходы и заходы Солнца наблюдаются дважды за одни сутки, причем как на востоке, так и на западе.

Меркурий — маленькая планета, его диаметр всего на 40% больше лунного. Но масса планеты довольно велика, в 4,5 раза больше лунной, поэтому его средняя плотность почти такая же высокая, как у Земли. Можно сказать, что Меркурий объединяет в себе некоторые черты Земли, Луны и даже Марса: хотя поверхность Меркурия внешне почти неотличима от лунной, его внутреннее строение во многом напоминает земное, а ускорение свободного падения на поверхности (3,7 м/с2) практически такое же, как у Марса.


Ошибка Скиапарелли

Уникальность вращения Меркурия заключается не только в том, какие бока он подставляет Солнцу; у него еще наблюдаются и любопытные соотношения с движением Земли. Во-первых, между двумя последовательными нижними соединениями с Землей (т.е. пересечениями линии Солнце-Земля), он успевает сделать почти ровно два оборота вокруг оси (115,88/58,6461=1,976). Во-вторых, в течение земного года Меркурий успевает сделать почти точно 3 оборота вокруг Солнца и 6 оборотов вокруг оси. И вот к чему это приводит.

В средних широтах Северного полушария (где раньше жило большинство астрономов) существует два удобных периода для наблюдения Меркурия — это дни его наибольшей восточной элонгации весной и наибольшей западной элонгации осенью. Весенним вечером и осенним утром эклиптика под наибольшим углом пересекает горизонт, и Меркурий поднимается довольно высоко. Поэтому наблюдатели обычно пропускают зимние и летние элонгации, используя для наблюдения осенние и весенние, т.е. проводят наблюдения через 1,5 синодических периода (115,88×1,5=173,8 сут.). Оборот Меркурия вокруг оси относительно направления на Землю занимает (58,6461—1—365,256—1)—1=69,864 сут. Поэтому между периодами наблюдения он успевает повернуться 2,5 раза. Казалось бы, мы должны таким образом наблюдать попеременно то одно, то другое полушария планеты. Но это не так: за полгода Солнце меняет свое положение относительно Меркурия на противоположное и вновь освещает то же полушарие, что и в прошлый сезон. В течение нескольких последовательных сезонов наблюдения астрономы видят попеременно две половинки одного и того же полушария Меркурия повернутым к Солнцу. Естественно, у них рождается уверенность в том, что планета вращается вокруг оси синхронно с обращением вокруг Солнца.

Знаменитый итальянский астроном Джованни Скиапарелли (1835—1910), больше известный в связи с марсианскими «каналами», провел первые наблюдения Меркурия в 1881 г. и повторил их ровно через год. Разумеется, никаких изменений во внешнем виде планеты он не заметил. Скиапарелли продолжал наблюдения и в 1889 г. окончательно решил, что планета всегда ориентирована одной стороной к Солнцу. В 1890 г. он пришел к аналогичному выводу и в отношении Венеры.

Печально, но Скиапарелли заблуждался как по поводу каналов на Марсе, так и в отношении синхронного вращения Меркурия и Венеры. Но это отнюдь не говорит о низкой квалификации Скиапарелли — он был замечательный наблюдатель, глубокий ученый и член многих академий, в том числе Петербургской. Просто наземные визуальные наблюдения планет в телескоп очень трудны. Не верите — попробуйте сами!


Происхождение рельефа Меркурия

На Меркурии выделяют несколько характерных типов рельефа. По-видимому, наиболее древним является насыщенный рельеф — равнина, покрытая бесчисленным количеством перекрывающихся метеоритных кратеров, где удар каждого следующего метеоритного тела приходился на участок, уже многократно изрытый кратерами. Такая поверхность показана на рис., где размер мельчайших различимых деталей составляет 300 м. Солнце светит слева и находится довольно низко над горизонтом. Вся поверхность покрыта сплошной сетью кратеров и на вид неотличима от материковых районов Луны. Почти все эти кратеры образовались от падения крупных метеоритных тел в период формирования планеты, около 4 млрд. лет назад. Сначала выпадали протопланетные тела (планетезимали) и метеориты самых различных размеров, а потом все более мелкие фрагменты. Вместе с тем, крупные метеоритные тела порой врезались в поверхность даже на поздней стадии.


Другая отметка последовательности событий (несколько иного рода) видна в левом нижнем углу другого снимка, где расположен большой 60-км кратер с сильно разрушенным валом. На его дне заметны следы извержения лавы, образовавшей огромный поток, который двигался слева и затвердел, пройдя больше половины диаметра кратера. Извержение происходило уже после выпадения основного объема метеоритного вещества и даже после образования мелких кратеров на дне большого кратера справа. Вместе с тем, редкие и сравнительно мелкие тела выпадали на поверхность лавового натека и после его образования.


С большей или меньшей плотностью ударные образования покрывают всю известную ныне поверхность Меркурия. Возраст поверхности Меркурия очень велик: события, оставившие на ней след, в основном происходили 3,9×109 лет назад. Точно так же выглядит поверхность Луны, возраст образцов которой установлен непосредственно.

Кинетическая энергия сталкивавшихся с поверхностью Меркурия протопланетных тел была очень велика. Каждый их удар сопровождался мощным взрывом, энергия которого была заметно выше, чем у обычной взрывчатки с той же массой, что у метеорита. Интересно, что лунные кратеры имеют значительно большие диаметры, чем кратеры на Меркурии, образованные такими же по массе метеороидами. Поскольку ускорение свободного падения на Меркурии (3,72 м/с2) выше, чем на Луне (1,62 м/с2), удары метеоритов выбрасывают материал не так далеко от центра: при одинаковой энергии взрыва площадь, которую покрывает выброс на Меркурии, в 5 раз меньше, чем на Луне.

Бескратерные равнины или обширные промежутки между кратерами характерны только для Меркурия. Тем не менее, сходство внешнего вида Луны и Меркурия поразительно. Более того, мелко раздробленный материал, покрывающий Меркурий, имеет примерно такие же отражательные свойства, как и реголит Луны. В основном, это так называемые анортозитовые и крип-норитовые породы, для образования которых обязательно требуется, чтобы геологическая история планеты включала естественное разделение материалов, — так называемую гравитационную и геохимическую дифференциацию, т.е. разделение горных пород в результате своеобразного «всплывания» более легких составляющих (силикатов) и погружения в ядро планеты тяжелых элементов (железа и никеля).


Некоторые меркурианские кратеры имеют систему «лучей», простирающихся на большое расстояние. Обычно яркие лучи вокруг кратеров охватывают область не более 1000 км. в диаметре. На Луне, где много таких кратеров, протяженность лучей гораздо больше из-за меньшего ускорения свободного падения. Например, лучи кратера Тихо уходят за край видимого диска Луны. Известно, что яркость лучей заметно усиливается к полнолунию, а затем ослабевает. Это объясняется высокой пористостью материала лучей: Солнце освещает внутренность мелких пор, только когда поднимается над горизонтом.

Поверхность Меркурия, как и лунная поверхность, лишена ярких цветовых оттенков. Хотя сходство рельефа и реголита Луны и Меркурия велико, поверхность Меркурия все же несет много своеобразия. Вся видимая сторона Луны покрыта огромными низинами — «морями». А на известной нам стороне Меркурия морей (т.е. равнин или «бассейнов») вообще нет; видны только кратеры разных размеров. В этом смысле Меркурий очень напоминает обратную сторону Луны, горные районы которой также сложены анортозитовыми и крип-норитовыми породами. Поверхность Меркурия отражает свет примерно так же, как обратная сторона Луны, и заметно сильнее, чем ее видимая сторона (из-за относительно большей площади лунных морей, покрытых темными морскими базальтами).

Единственное, но очень большое кратерное море на Меркурии — это упоминавшаяся выше равнина Жары, часть которой видна на рис.


Рис. Равнина Жары.


На Меркурии встречается необычная деталь рельефа — эскарп. Это уступ высотой 2—3 км., разделяющий два в общем ничем не отличающихся района. Протяженность таких обрывов — от сотен до тысячи километров. Например, эскарп Дискавери тянется от 56°ю.ш., 38°в.д. до 50°ю.ш., 36°в.д. Местами он пересекается крупными кратерами или сам пересекает их. Эскарпы образовались, когда происходило сжатие Меркурия, повлекшее за собой сдвиги и наползание отдельных участков его коры. Такое явление не известно на Луне, но в несколько ином виде встречается на Земле.


Рис. Эскарп Дискавери.


Высота гор на Меркурии, вычисленная по длине теней, оказалась меньше, чем на Луне; вероятно, это тоже связано с различием в ускорениях свободного падения. Горы Меркурия достигают 2—4 км., а наибольшая высота лунных Скалистых гор составляет 5,8 км.

Ныне считается твердо установленным, что подавляющая часть лунного, меркурианского и марсианского кратерного рельефа, а также рельеф большинства спутников планет-гигантов, образован ударно-взрывными процессами. Об этом говорит характер мелких частиц реголита, так называемых брекчий. Однако и проявлений вулканизма нашлось немало. По-видимому, разрушение грунта на большую глубину при ударах метеоритов облегчало жидкой лаве путь к поверхности.


Равнина Жары

Один из самых интересных районов Меркурия — это равнина Жары, единственное известное море на планете. Это бассейн в виде правильного круга; диаметр его превышает 1300 км. По периферии его окружают концентрические кольцевые валы, которых на можно насчитать 4 или 5. Некоторые из них достигают 2 км. в высоту. Происхождение этого огромного бассейна и концентрических кольцевых валов связывают с ударом гигантского метеоритного тела размером с небольшую планету. По-видимому, столкновение произошло в конце пика метеоритной бомбардировки, около 3,9 млрд. лет назад, когда процесс кратерообразования уже шел на убыль. Об этом говорит относительно малое количество кратеров в центральной части равнины Жары, где сравнительно ровная поверхность испещрена развитой системой трещин. По-видимому, удар при столкновении небесного тела с Меркурием был настолько сильным, что кора планеты в этом месте была пробита на огромную глубину, а сквозь разрывы в коре и мантии поднялись потоки лавы. При ее застывании образовалась сетка своеобразных трещин и концентрические кольцевые валы. Кратеры на территории равнины Жары обладают двумя особенностями. Во-первых, их мало, во-вторых, они хорошо сохранились. Именно это позволяет утверждать, что основные этапы кратерообразования к моменту возникновения равнины Жары были уже пройдены.


Именно с равниной Жары удивительным образом связано движение Меркурия. В перигелии Солнце стоит над нею почти в зените, нагревая поверхность до очень высокой температуры. Но при следующем прохождении перигелия равнина Жары находится уже на ночной стороне, а к Солнцу обращен диаметрально противоположный район планеты. Некоторый избыток массы («маскон»), если именно он контролирует приливное резонансное движение, может находиться как раз под равниной Жары.

Как это ни парадоксально, происхождение рельефа противоположной стороны планеты возможно также связано с образованием равнины Жары. Предполагается, что мощные сейсмические волны, которые возникли в момент столкновения, прошли сквозь всю планету и сфокусировались в ее диаметрально противоположной точке. В результате этого сейсмического удара возникли трещины, поверхность раскололась и вздыбилась хаотическим нагромождением многокилометровых блоков на высоту 1-2 км.


Реголит Меркурия

Реголит Меркурия, о составе которого говорилось выше, подвергается непрерывной термоциклической обработке. Мощность солнечного излучения, падающего на 1м2 поверхности Меркурия, расположенный перпендикулярно солнечным лучам, составляет в среднем 9,15кВт., возрастая в перигелии до 11кВт. (земная поверхность за пределом атмосферы получает от Солнца 1,38кВт/м2). К тому же поверхность Меркурия темная, и только 12—18% падающего света отражается в пространство, а остальное поглощается. Это приводит к тому, что в подсолнечной точке, где Солнце в зените, из падающей на 1м2 мощности до 8кВт. идет на нагрев поверхности. Температура поверхности за длинный меркурианский день поднимается очень высоко и достигает 620 К (+347°С). В перигелии температура поднимается еще выше, до 690 К (в районе равнины Жары и ее антиподе). В афелии температура подсолнечной точки около 560 К.

Глинистые породы, встречающиеся на Земле, при такой температуре необратимо теряют воду — обжигаются. Однако до очень высокой температуры разогревается только поверхностный слой Меркурия, а он сильно измельчен и поэтому имеет низкую теплопроводность, т.е. служит прекрасным теплоизолятором. Тепловое радиоизлучение показывает, что уже на глубине нескольких десятков сантиметров температура постоянная, 345—365 К (около +80°С). С другой стороны, низкая теплопроводность приводит к тому, что после захода Солнца поверхность реголита быстро остывает: уже через 2 ч. температура уменьшается до 130 К, а ночью падает до 90 К (—183°С).

Суточное изменение температуры поверхности планеты отражает физические свойства слагающих ее пород. Если днем на фоне нагретой поверхности обнаружен участок более холодный, но обладающий, как показывает фотометрия, такими же отражательными свойствами, а поверхность при этом сухая, как у Меркурия и Луны, то это означает, что происходит отток тепла в глубину. Про такой участок говорят, что он обладает повышенной тепловой инерцией, которая определяется плотностью материала и его коэффициентами теплоемкости и теплопроводности. Например, днем более холодным будет скальный массив, окруженный тем же материалом, но в сильно раздробленном состоянии. Ночью же, наоборот, раздробленный материал быстро остынет, излучив свой небольшой запас тепла, скала же будет ярко светиться в инфракрасных лучах. Такие участки тоже были обнаружены на Меркурии. Их немного, что говорит об однородности поверхности планеты. Интересно отметить, что одна из подобных деталей на ночной стороне планеты совпадает с компактной областью повышенного радиоотражения.

После всего, что сказано выше о высоких дневных температурах на Меркурии, кажется невероятным сообщение о гигантских отложениях льдов в его полярных районах. Такое открытие было сделано с помощью наземной радиолокации в начале 1990-х гг. В районах северного и южного полюсов обнаружены многочисленные пятна размером от 50 до 150 км. с присущими льду радиоотражательными свойствами. По-видимому, лед покрыт тонким слоем теплоизолирующего реголита, но главное, благодаря чему сохранились льды, — это положение полярной оси планеты, строго перпендикулярной плоскости орбиты. Из-за этого Солнце никогда не заглядывает внутрь полярных кратеров, расположенных выше 82—84° широты. Расчетная температура там постоянно держится около 60—62 К. В таких условиях испарение крупного массива льда может происходить очень медленно, за миллиарды лет.

Чтобы возникли ледяные поля, на Меркурии должны были когда-то существовать океаны и плотная атмосфера. Если открытие полярных льдов подтвердится, то наше представление об истории этой планеты полностью изменится. Однако те же радиоотражательные свойства допускают и другую трактовку, например, как отложения серы, а не льда.


Строение недр Меркурия

Строение коры, мантии и ядра Меркурия относятся к наиболее актуальным вопросам физики этой планеты. Если представление о системе сферических оболочек, окружающих центральное ядро, справедливо для такой массивной планеты, как Земля, то планеты с малой массой могут иметь другое строение. Например, иначе устроена Луна. Уже первые искусственные спутники Луны установили неоднородность распределения масс в ее коре. Появилось новое понятие — «масконы», проявляющие себя неоднородностями в общем поле тяготения, которые и вносят возмущения в движении орбитального аппарата.

Тщательные наблюдения за движением спутников позволяют найти безразмерный момент инерции планеты I/(MR2) относительно, например, ее полярной оси. Эта важная величина указывает, как распределена масса в недрах планеты. Например, у пустотелой сферы безразмерный момент равен 2/3≈0,67. У шара с одинаковой по всему объему плотностью он равен 0,4. Если же внутри однородного шара находится более плотное ядро, их полный момент инерции будет меньше, чем 0,4. Разумеется, если планета идеально сферическая, то ее внешнее гравитационное поле не зависит от степени концентрации вещества, и наблюдения за спутником не позволят «заглянуть» внутрь планеты. Однако вращение планеты деформирует не только ее тело, но и поле; при этом, чем сильнее концентрация вещества к центру планеты, тем слабее отличается ее поле от сферического. Анализируя движение спутника, определяют форму гравитационного поля, а измерив скорость вращения и степень видимого сжатия планеты, вычисляют по этим данным момент инерции, указывающий степень концентрации вещества к центру. Затем, привлекая теоретические и экспериментальные данные о поведении материалов при высоких давлениях, рассчитывают модель строения планеты, удовлетворяющую всем измеренным параметрам.

В центре Земли, благодаря огромному давлению, плотность внутреннего ядра достигает 10,5т/м3. Плотность оболочки (коры и мантии) в 2—3 раза меньше. Безразмерный момент инерции Земли составляет 0,3309, что определенно указывает на массивное металлическое ядро. Совсем другие результаты были получены из анализа гравитационного поля Луны. По уточненным данным, ее момент равен 0,394; это несомненно говорит о том, что весь материал Луны имеет плотность, близкую к средней (3,33т/м3). У поверхности Луны породы действительно имеют плотность 3,0—3,3т/м3. Значит, если у Луны есть ядро, оно очень маленькое.


Поскольку Земля имеет наибольшую массу и размер среди планет земной группы, именно у нее следовало бы ожидать наибольшую концентрацию вещества к центру. Но неожиданно выяснилось, что безразмерный момент инерции Меркурия меньше земного: 0,324. Следовательно, железное ядро у Меркурия относительно больше, чем у Земли. Оно занимает около 45% объема планеты. Над ним расположена силикатная оболочка толщиной 600—700 км. Плотность поверхностных пород Меркурия, вероятно, того же порядка, что и у Луны, поэтому для получения наблюдаемой средней плотности планеты (5,44 г/см3) железное ядро необходимо.

Таким образом, Меркурий не удается однозначно отнести ни к типу Земли, ни к типу Луны. Его поверхность похожа на лунную, но железное ядро не уступает земному.


Экзосфера Меркурия

С помощью «Маринера-10» у Меркурия было обнаружено подобие атмосферы. Ее правильнее называть экзосферой, по аналогии с верхними, весьма разреженными этажами плотных атмосфер других планет. Существование или отсутствие атмосферы у планеты определяется рядом обстоятельств. Прежде всего, это сила тяготения: чем больше скорость ухода с поверхности планеты, тем надежнее она удерживает легкие газы. Но чем меньше молекулярная или атомная масса газа, тем труднее удержать газ. Особенно трудно удержать легкие и подвижные молекулы водорода и атомы гелия.

Важную роль играет температура внешней части атмосферы — экзосферы. С повышением температуры скорость атомов газа может достичь второй космической скорости — тогда частица навсегда покидает планету. Именно так Земля ежесуточно теряет около 100 т. водорода (но практически не теряет кислород). Близость Меркурия к Солнцу вызывает высокую температуру дневной стороны экзосферы. Вместе со слабым притяжением планеты это определило быструю потерю ее первичной атмосферы. Первым ушел водород; за ним должен был последовать гелий. Но оказалось, что одна из основных составляющих нынешней атмосферы Меркурия — именно гелий. Причина в том, что гелий непрерывно притекает в разреженную атмосферу Меркурия вместе с плазмой солнечного ветра. Плазма эта очень разрежена, но и меркурианская атмосфера — тоже. Давление у поверхности планеты примерно в 500 млрд. раз меньше, чем у поверхности Земли. Атмосфера Меркурия непрерывно утекает в межпланетное пространство, но потери ее постоянно восполняются. Каждый атом гелия, захваченный Меркурием, находится в его атмосфере в среднем 200 дней, главным образом на ночной стороне планеты, после чего покидает ее.

Кроме гелия, в атмосфере Меркурия найдено ничтожное количество водорода. Его примерно в 50 раз меньше, чем гелия. Другие газы не обнаружены. Предполагая, что они там все же присутствуют, специалисты оценивают общее максимальное количество атомов и молекул газа в атмосфере как 2×1014 над 1см2 поверхности. При высоте атмосферы в сотни километров это дает плотность у поверхности около 107см—3. Подобная степень разрежения пока недоступна земной вакуумной технике. Атомы и молекулы газов в такой атмосфере движутся по баллистическим траекториям и встречаются столь редко, что никакие реакции между ними невозможны. Соприкасаясь с поверхностью, они приобретают скорость, зависящую от ее температуры. Поэтому на ночной стороне Меркурия скорость атомов газа значительно меньше, чем на дневной. В результате в вертикальном столбе атмосферы ночью содержится в 30 раз большее число атомов гелия, чем днем. Но и при таких концентрациях сами понятия температуры и давления лишены смысла.

В 1985 г. методом наземной спектроскопии в составе меркурианской атмосферы были обнаружены пары щелочных металлов — натрия и калия — примерно в соотношении 25:1, в ничтожных, но спектроскопически измеримых количествах: до 1011атомов/см2 поверхности. Излучение в линиях натрия и калия прослеживается на больших высотах над планетой, причем его интенсивность непостоянна. По некоторым данным, испарение щелочных металлов происходит из коры планеты, с глубины до 10 км., причем наблюдалось повышение их концентрации над равниной Жары. Положение еще больше усложняется тем, что отмечена связь этих эмиссий с солнечной активностью.

Присутствию в экзосфере Меркурия паров щелочных металлов пока нет исчерпывающих объяснений. Из-за большого эксцентриситета его орбиты в коре планеты рассеивается значительная приливная энергия, что обязательно должно вызвать ее разогрев. Можно предположить, что такой разогрев вызывает истечение паров щелочных металлов и их солей через небольшие газовые вулканы — фумаролы.


Магнитное поле Меркурия

Плазма солнечного ветра состоит из заряженных частиц — электронов, протонов, ядер гелия. Достигая планеты, обладающей магнитным полем, потоки частиц сталкиваются с магнитосферой. Поскольку магнитное поле убывает с расстоянием, на некотором удалении от планеты его давление сравнивается с газодинамическим давлением солнечной плазмы, там она и останавливается. Именно вдоль этой границы расположен слой, по которому течет ток. Впереди слоя набегающая плазма образует ударную волну, в которой она сильно разогревается. В случае Земли эти события разыгрываются примерно на расстоянии 70 тыс. км. от планеты (со стороны Солнца).

Надежно установлено, что медленно вращающаяся Луна практически лишена магнитного поля. Тем более удивительным было обнаружение ударной волны и магнитного поля вблизи Меркурия. Правда, нельзя категорически утверждать, что все обнаруженное магнитное поле есть дипольное поле самой планеты. Представление магнитного поля Меркурия дипольным приближением несколько условно. Существуют сложные механизмы внедрения (имплантации) магнитного поля Солнца, перенесенного плазмой солнечного ветра, в магнитосферу планеты. Но предположение о поле самой планеты лучше объясняет наблюдаемые явления. Его напряженность на экваторе достигает 3,5×10—3Гс., а у полюсов 7×10—3Гс. Это примерно 0,7% от напряженности земного магнитного поля. Наклон оси диполя к оси вращения Меркурия 12° (у Земли 10°). Направление магнитных диполей у Меркурия и Земли одинаково.

Магнитное поле Меркурия — это поставленный самой природой чистый эксперимент. Отсутствие атмосферы в сочетании с заметным собственным полем планеты позволяет исследовать явления обтекания магнитосферы солнечным ветром в условиях, которые не реализуются больше ни у одной планеты Солнечной системы.

Существование магнитного поля у Меркурия должно быть связано с жидким состоянием его ядра, на которое приходится около 60% массы планеты. Вместе с тем, расчеты показывают, что за время жизни планеты жидкое вначале ядро должно было затвердеть; а в твердом ядре магнитное поле возбудиться не может. Более того, на остывание ядра хватило бы и значительно меньшего времени: всего 1,5—2,0 млрд. лет. Чтобы решить проблему, предполагают, что в металлическом ядре много серы, а у легированного серой железо-никелевого сплава значительно снижается температура затвердевания, и ядро может сохранить свое жидкое состояние. Тем не менее, многие противоречия остаются неразрешенными. В 1996 г. появилось сообщение о том, что магнитное поле аналогичного характера и интенсивности обнаружено у других медленно вращающихся небесных тел, более или менее близких к Меркурию по размерам и массе. Это спутники Юпитера Ганимед и, возможно, Европа.


О происхождении Меркурия

Желая понять природу планет, мы неизбежно возвращаемся к вопросу о формировании Солнечной системы. Процессы, происходившие 4,5 млрд. лет назад, к сожалению, известны недостаточно полно. Одна из проблем — источники тепла для образования жидкой лавы, заполнявшей ударные кратеры на Меркурии и Луне. Анализ лунных пород показывает, что возраст застывших на поверхности лав достигает 4 млрд. лет. Это говорит об очень высокой скорости, с которой такого рода планеты прошли гравитационную дифференциацию, разделившую легкие и плотные компоненты. На это ушло всего несколько сотен миллионов лет. Лавовые излияния происходили одновременно с формированием кратерированной поверхности планеты. Таким образом, в это время в недрах планеты уже имелись резервуары расплавленной лавы. Однако, хотя в гравитационной дифференциации и выделяется много энергии, для ее начала температура планеты уже должна быть достаточно высокой.

У планет группы Земли разогрев недр объясняется выделением тепла при распаде радиоактивных изотопов тория, урана, калия и других элементов. После завершения гравитационной дифференциации эти элементы оказались в основном сосредоточенными в мантии планеты, поэтому их современное содержание известно, а исходное количество вычисляется по известной скорости радиоактивного распада. Основанный на этом расчет показывает, что на предшествовавший гравитационной дифференциации разогрев Меркурия должно было уйти 1,0—1,5 млрд. лет, что противоречит возрасту лавы.

Еще одна гипотеза — попытка объяснить быстрый разогрев интенсивной метеоритной бомбардировкой — тоже опровергается расчетами. Излучаемый планетой в единицу времени поток тепла настолько велик, что метеоритная бомбардировка могла бы компенсировать его только в том случае, если бы планета формировалась за немногие тысячи, а не за 200 млн. лет. Но это представляется совершенно нереальным.

Количественные оценки показывают, что и в самом процессе формирования Меркурия из планетезималей много неясного. При их столкновении с поверхностью планеты происходит выброс вещества — продуктов взрыва. Обломки движутся по баллистическим траекториям и выпадают на поверхность планеты, образуя вторичные кратеры. Но если энергия первичного выброса очень велика, скорость обломков может превысить значение второй космической скорости. Тогда падение планетезималей может привести уже не к росту, а к уменьшению массы планеты. Недавно было показано, что при той скорости, которой обладали протопланетные тела вблизи орбиты Меркурия, энергия ударов была настолько велика, что выпадение метеоритного вещества должно было приводить не к росту, а к уносу продуктов выброса и к уменьшению массы образующейся планеты.

По-видимому, в период затухания метеоритной бомбардировки, как и на предыдущей стадии, продолжались местные излияния лавы, но общего плавления поверхности не происходило, хотя местные размягчения могли существовать. К этому периоду относится образование гигантской равнины Жары и других менее четко выраженных равнин.

Совсем другое происхождение, как предполагается, имеют эскарпы. Выделение массивного металлического ядра в процессе гравитационной дифференциации должно было привести к сильному — на 700К — разогреву и плавлению недр планеты с уменьшением ее радиуса примерно на 17 км. По-видимому, эти события произошли в столь давнее время, что их следы на поверхности Меркурия не сохранились. Согласно расчетам, дальнейшее плавление мантии привело, к дополнительному уменьшению радиуса на 2 км. и соответствующему сжатию коры. Именно в этом процессе наползания друг на друга отдельных блоков коры и возникли эскарпы.

В заключение напомним одну любопытную гипотезу. Еще в XIX в. было высказано предположение, что Меркурий может быть потерянным спутником Венеры. В 1970-х годах была создана математическая модель эволюции орбиты такого гипотетического спутника с массой Меркурия. Результаты оказались следующими. Будучи спутником Венеры на орбите с большой полуосью около 400 тыс. км., Меркурий должен был вызвать огромное приливное рассеяние энергии, как в собственном теле, так и в теле Венеры (подробнее об этом рассказано в разделе, посвященном Венере). Это должно было вызвать плавление коры у обоих тел, затормозить их вращение и за несколько сотен миллионов лет поднять орбиту спутника до 420 тыс. км., что неизбежно закончилось бы его потерей. В дальнейшем Венера и потерянный спутник должны были неоднократно сближаться, причем были возможны вторичные захваты последнего.

Как ни фантастична эта гипотеза на первый взгляд, ее сторонники указывают, что она непринужденно объясняет потерю вращательного момента Венерой и Меркурием; ранний разогрев коры обоих тел; значение кинематической характеристики (интеграла Якоби) для Меркурия, удовлетворяющее орбите Венеры, и, наконец, формирование Меркурия на орбите Венеры с дальнейшим переходом на его нынешнюю орбиту.


Литература

Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия: от Леверье до Эйнштейна. М.: Мир, 1985.

Сурдин В.Г. Приливные явления во Вселенной. М.: Знание, 1986.

Davies М.Е. et al. Atlas of Mercury. NASA, 1978. http://history.nasa.gov/SP-423/sp423.htm


Глава V


ВЕНЕРА


Характеристики Венеры

Большая полуось орбиты

108,2 млн. км.=0,723 а.е.


Сидерический период обращения («год»)

224,7 сут.=0,615 лет.


Синодический период (средний)

584,0 сут.=1,60 лет.


Сидерический период вращения («звездные сутки»)

243,02 сут. (вращение обратное).


Наклонение орбиты к эклиптике

3,4°.


Эксцентриситет орбиты

0,0068.


Средняя орбитальная скорость

35 км/с.


Наклон экватора к орбите (вращение обратное)

2,6°.


Масса планеты

4,871×10

24

кг.=0,815 М

⊕

.


Средний радиус по верхней границе облачного слоя

6120 км.


Средний радиус поверхности

6051 км.=0,949 R

⊕

.


Средняя плотность

5,24 г/см

3

.


Ускорение свободного падения

8,87 м/с

2

.


Безразмерный момент инерции (в единицах MR

2

)

0,333.


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,77.


Поток солнечного излучения вблизи планеты

2,60 кВт/м

2

.


Полное поглощаемое излучение

7,2×10

10

МВт.


Эффективная температура

228 К.


Температура у поверхности

735 К.


Давление у поверхности

90 бар.


Состав атмосферы (% объема)

СО

2

(96,5), N2 (3,5), следы S0

2

, Аr, Н

2

0, СО, Не


Магнитосфера

нет.


Спутники

нет.


Венера, которая в раннюю эпоху была почти двойником Земли, в своей дальнейшей эволюции пошла иным путем. Поэтому Венера, как никакая другая планета, позволяет увидеть, какой могла (или может) оказаться эволюция нашей планеты под влиянием еще не до конца понятых внешних или внутренних причин.

Венера — вторая от Солнца планета. Она занимает особое положение среди других планет земной группы. Еще недавно ее называли двойником Земли. Сходство между Венерой и Землей в размере и массе (а значит и в средней плотности и силе тяжести) позволяет предположить, что и внутреннее строение двух планет схоже. Однако чем дальше продвигалось изучение Венеры, тем меньше оставалось у нее черт «двойника» Земли.

Венера — ближайшая к Земле планета, в максимальном сближении ее отделяет от Земли только 40 млн. км. Свет проходит это расстояние за 2 мин. 12 с. Но в этот период мы видим только ночную сторону планеты. Полностью ее дневную сторону мы видим при наибольшем удалении Венеры от Земли (260 млн. км).


Рис. Прохождение Венеры по диску Солнца.


В своем орбитальном движении она иногда оказывается на линии Солнце-Земля, и тогда ее можно видеть как маленькую черную точку, пересекающую солнечный диск. М.В. Ломоносов, наблюдая в 1761 г. такое «прохождение Венеры по Солнцу», обнаружил, что в момент видимого контакта с диском Солнца одного края планеты вокруг противоположного появился яркий ободок. «Сие ничто иное показывает как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере», — писал Ломоносов; он назвал эту атмосферу «знатной», но в действительности она оказалась значительно плотнее, чем тогда можно было предположить.

В телескоп Венера выглядит очень ярким неполным диском, который меняет фазы, подобно Луне. Изучая Венеру, астрономы постепенно поняли, что видят сплошной облачный покров планеты. В 1927 г. на ультрафиолетовых фотографиях облачного слоя планеты удалось различить характерное сочетание полос и пятен, которое, как выяснилось в дальнейшем, повторяется каждые 4 дня, смещаясь в сторону, противоположную направлению вращения Земли и других планет. В то же время, многие астрономы предполагали, что планета вращается синхронно, т.е. всегда обращена к Солнцу одной и той же стороной, а на другой стороне царит вечная ночь.


С 1961 г. в США и СССР были начаты радиолокационные исследования Венеры. Сначала слабый отраженный импульс позволял определять только расстояние до планеты. В 1970-х гг. по разностям сигналов, отраженных правой и левой сторонами диска был определен период вращения Венеры: 243,0185±0,0001сут. в направлении, не характерном для других планет — по ходу часовой стрелки, если смотреть с северного полюса эклиптики. Определить вращение помогли две яркие (в радиоотражении) области, которым временно присвоили названия «Альфа» и «Бета». Но, как это часто бывает, временные названия закрепились. Позже выяснилось, что Альфа и Бета — это гигантские геологические образования, по-видимому, вулканического происхождения. Из-за медленного вращения рассвет и закат на Венере длятся несколько земных суток. Смена времен года там отсутствует, поскольку наклон полярной оси не превышает 3°.

Сложение двух вращений — вокруг оси и вокруг Солнца, — происходящих в разных направлениях, приводит к тому, что солнечные сутки на Венере длятся 116,8 земных суток. Период повторения нижних соединений Венеры (ее максимальных сближений с Землей) составляет 584 земных суток; легко видеть, что за это время на планете проходит точно 5 солнечных суток. Поэтому в каждом нижнем соединении Венера обращена к Земле одной и той же стороной. Причина такой синхронизации не ясна, так как приливное взаимодействие между планетами очень слабое.


Необычное вращение Венеры и роль Меркурия в ее эволюции

Медленное вращение Венеры и его резонанс с движением относительно Земли — нерешенные загадки. Вполне вероятно, что когда-то Венера вращалась столь же быстро, как и другие планеты. Если исходить из принципа изохронизма, утверждающего, что начальные периоды вращения всех планет были близки между собою и составляли 5—8 ч, то для затормаживания Венеры нужны были очень сильные воздействия. При этом должна была выделиться гигантская энергия, около 1030Дж. Не ясно, что стало причиной потери вращательного момента планеты: катастрофическое событие в ее прошлом или длительное воздействие слабых возмущений.

Как уже говорилось в разделе о Меркурии, существует гипотеза, что Венеру затормозил некогда существовавший у нее массивный естественный спутник, которым и был Меркурий. Рассмотрим эту гипотезу подробнее. У нашей Земли очень большая Луна. Часто даже говорят, что Земля и Луна — двойная планета. Еще одна двойная планета, Плутон-Харон, в 20 раз более тесная, чем Земля-Луна, находится на окраине Солнечной системы. Согласно гипотезе, двойной планетой была и Венера, у которой диаметр спутника составлял лишь немного меньше ее радиуса, а масса — до 7% массы планеты. Согласно предположению, под действием приливных сил Меркурий удалялся от Венеры (как Луна удаляется сейчас от Земли) и в конце концов потерял с ней связь. В результате Меркурий сохранил очень вытянутую орбиту. Собственно, предположения о роли спутника в торможении Венеры появились уже после определения ее периода вращения. Поначалу эта гипотеза служила для объяснения особенностей орбиты Меркурия.

В 1976 г. был поставлен математический эксперимент, в котором вычислялась эволюция орбиты Меркурия, помещенного вначале на орбиту спутника Венеры. Эксперимент не только не опроверг предположения о возможном убегании Меркурия, но показал, что оно неизбежно должно было произойти за очень короткое в космогонических масштабах время — менее 500 млн. лет. Благодаря приливному взаимодействию обеих планет одна часть энергии их вращения расходовалась на разогрев недр, другая — на увеличение орбиты спутника. Когда расстояние между ними достигло примерно 460 тыс. км., создались условия для убегания Меркурия через одну из лагранжевых точек системы Венера-Солнце, причем возможны были вторичные неустойчивые его захваты при последующих сближениях планет. Перед убеганием период орбиты Меркурия должен был составлять около 40 сут. Все это довольно близко к периоду обращения нашей Луны (27 сут.) и расстоянию до нее (385 тыс. км.).

В течение предшествовавших 500 млн. лет (или менее) приливы в теле Венеры из-за воздействия в 4,5 раза более массивного, чем наша Луна, спутника выделяли очень много тепловой энергии в коре и недрах Венеры. Должны были происходить сдвиги коры и быстрая дегазация недр Венеры, в результате чего должна была возникнуть горячая планета с плотной, горячей атмосферой, огромными горами и очень медленным вращением, что и наблюдается ныне.

Эта интересная гипотеза, но ее нельзя считать доказанной. Тем не менее, такая трактовка ранней истории Венеры и Меркурия объясняет целый ряд фактов, в частности резонансный, но не синхронный период обращения Меркурия вокруг Солнца (3/2 периода вращения), потерю момента вращения Венеры и Меркурия, отсутствие спутников у этих планет.


Первые полеты к Венере

Как ни странно, старые наземные наблюдения пятен на Венере, из которых был выведен 4-суточный период вращения, оказались правильными: к такому выводу привели космические наблюдения. Только период этот относится к облачному слою, а не к твердой поверхности планеты.

Увидеть Венеру вблизи и заглянуть под ее облачный покров стало возможным с началом полетов к ней автоматических космических аппаратов. 18 октября 1967 г. зонд «Венера-4» при парашютном спуске в атмосфере впервые измерил ее параметры и состав. На высоте 23 км., когда давление достигло 18 атм., аппарат разрушился. Но сопоставление полученных «Венерой-4» данных о высоте и давлении с радиозатменными сведениями зонда «Маринер-5», который прошел вблизи Венеры через 1 сут., позволило рассчитать давление у поверхности планеты — около 100 бар. Последующие зонды были более прочными: например, корпус «Венеры-7» выдерживал 180 бар. Именно этот зонд впервые сел на поверхность и передал, что давление атмосферы там 93 атм., а ее температура 750 К (477°С). Несмотря на специальное жаропрочное покрытие, через 23 мин. работы на поверхности приборы вышли из строя. Зонд «Венера-8» имел такую же конструкцию, но проработал на поверхности вдвое дольше. Более поздние зонды «Венера» кроме спускаемого аппарата имели орбитальный отсек с научными приборами для долговременных исследований.

В 1975 г. на орбиты искусственных спутников планеты вышли «Венера-9 и -10», а их спускаемые аппараты передали первые изображения поверхности. За короткий период исследований космическими аппаратами о Венере удалось получить намного больше данных, чем за всю историю астрономии. Дальнейшее развитие науки позволило увидеть топографию Венеры в глобальном масштабе. Для этого спутники планеты «Венера-15 и -16» имели радиолокаторы бокового обзора; американский аппарат «Магеллан» развил этот эксперимент и детально картировал всю поверхность планеты.


Состав и строение атмосферы

Под туманоподобными облаками Венеры, которые занимают интервал высот от 49 до примерно 75 км., лежит огромный газовый океан, в основном состоящий из раскаленного углекислого газа СО2; его в атмосфере 96,5%. Свет проникает сквозь атмосферу, но рассеяние так велико, что даже находясь под нижней кромкой облаков различить поверхность планеты невозможно. С глубиной плотность углекислотной атмосферы растет и у поверхности Венеры достигает 65кг/м3. Это только в 14 раз меньше плотности воды. Масса газовой оболочки Венеры составляет 5×1020кг, что в сотню раз превосходит массу земной атмосферы и вполне сравнимо с массой земных океанов (1,37×1021кг).

Вторым по содержанию следует азот, на который приходятся почти все оставшиеся 3,5%. По абсолютному содержанию это в 5 раз больше, чем в земной атмосфере. С высотой в атмосфере быстро падают плотность, давление, температура. На высоте 30 км. это 9,4 бар., 10кг/м3 и 222°С, а на высоте 65 км. это 0,9 бар., 0,2кг/м3 и —30°С. Выше 150 км. атмосфера Венеры из-за высокого молекулярного веса уже более разрежена, чем атмосфера Земли на тех же высотах. Еще выше резко возрастает относительное содержание гелия и водорода (хотя, конечно, падает по абсолютной величине). Угарный газ (СО), кислород и водород образуются в стратосфере за счет диссоциации (разрушения) молекул углекислого газа и водяного пара ультрафиолетовым излучением Солнца. Выше 700 км. простирается чисто водородная корона (103—104 атомов/см3), которая постепенно переходит в межпланетную среду.

Плотность и температура короны и лежащей под ней криотермосферы сильно зависят от солнечной активности, но температура почти не зависит от высоты; выше примерно 160 км. температура в подсолнечной точке в годы низкой солнечной активности близка к 300 К, а в годы высокой — к 450 К. На той же высоте в противоположной точке планеты (ночью) температура падает до 100 К (отсюда название «криотермосфера»). Сравнительно высокие дневные температуры криотермосферы объясняются поглощением ультрафиолетовой части солнечного излучения.

На высоте 120 км. находится нижняя граница ионосферы. Максимальная концентрация электронов приходится на высоту 140 км.; днем она достигает 5×105см3, а ночью снижается примерно в 50 раз. Особенность ионосферы Венеры связана с отсутствием у планеты собственного магнитного поля: поэтому плазма солнечного ветра воздействует непосредственно на ионосферу, снижая днем ее верхнюю границу до 300—500 км.


По-видимому, именно различие условий формирования привело к большой разнице в содержании воды на Земле и Венере: для Земли это 1,37×1021кг., или 2,3×10—4 от ее массы, а для Венеры около 3×10—9. Если бы температура у поверхности Земли была не 20°С, а более 370°С, то океаны Земли испарились бы и давление водяного пара в атмосфере достигло бы огромного значения 260 бар. Вместе с тем на Венере парциальное давление водяного пара не превосходит 3 мбар. Расчеты показывают, что при всех разумных предположениях потери воды на Венере не могли составить более 1/10 земных запасов воды.

Предположения об очень высоких температурах и давлениях на Венере появились в 1940-х гг. на основе чисто теоретических соображений. Но в начале 1960-х еще многие ученые допускали, что вся планета покрыта океаном. «Венера-4» даже имела специальный, сделанный из сахара замок, который должен был освободить антенну в случае посадки аппарата на воду. Современный анализ содержания водяного пара дает его концентрацию в атмосфере Венеры примерно 3×10—5 во всей тропосфере, от поверхности до облаков.


Парниковый эффект

Количество водяного пара в атмосфере прямо связано с «парниковым эффектом», суть которого заключается в следующем. Хотя большую часть солнечного света облака отражают обратно, часть его все же проходит сквозь атмосферу, падает на поверхность планеты и поглощается ею. Поскольку планета пребывает в тепловом равновесии (т.е. не становится со временем горячее), вся поглощенная энергия должна снова излучаться в космос. Если бы не препятствовала атмосфера, поверхность планеты справилась бы с этой задачей, нагревшись примерно до 230 К (в среднем по двум полушариям; конечно, дневное было бы немного горячее, а ночное — холоднее). При этом излучение поверхности лежало бы в инфракрасном диапазоне с максимумом между 10 и 15 мкм. Но именно в этом диапазоне атмосфера малопрозрачна. Она перехватывает значительную часть излучения поверхности и возвращает ее назад. От этого поверхность нагревается еще сильнее, до такой температуры, при которой выходящий в космос поток тепла все же уравновешивает его приток от Солнца. Таким образом, равновесие восстанавливается, но уже с повышенной температурой поверхности (735 К).

Этот эффект назван «парниковым», поскольку стекло или пленка в садовом парнике играет ту же роль, что и атмосфера планеты: прозрачная для света крыша парника пропускает направленные к земле солнечные лучи, но задерживает идущее от земли инфракрасное излучение и восходящие потоки теплого воздуха.

Расчет показывает, что температура поверхности Венеры как раз соответствует концентрации водяного пара около 3×10—5; если бы его было больше, непрозрачность для инфракрасных лучей значительно возросла бы и температура поверхности стала бы еще выше. По-видимому, начальная температура Венеры из-за ее сравнительной близости к Солнцу была относительно высока. Это способствовало выделению из поверхности воды и углекислого газа, стимулировавших парниковый эффект и дальнейший рост температуры.


Малые составляющие атмосферы

Изотопный состав инертных, или благородных газов представляет особый интерес для науки о происхождении планет. Инертные газы не вступают в химические реакции с поверхностью или другими газами и достаточно тяжелы, чтобы сохраниться в том же количестве, в каком планета получила их при своем образовании или приобрела в процессе эволюции. Те изотопы инертных газов, которые достались планете на стадии ее формирования, называют первичными, или космогенными (например, 36Аr, 38Аr). А изотопы, образующиеся при распаде радиоактивных элементов, называют радиогенными (например, 40Аr, который образуется при распаде 40К).

Соотношение изотопов инертных газов в атмосфере Венеры не похоже ни на земное, ни на марсианское. Доля аргона в атмосфере Венеры 0,01%, а в земной атмосфере около 1%, но их абсолютное количество близко к друг к другу (поскольку атмосфера Венеры в 100 раз массивнее). Изотопный состав земного аргона такой: 0,996 приходится на радиогенный 40Аr и лишь 0,004 на 36Аr и 38Аr. А на Венере первичных изотопов столько же, сколько и радиогенных: доля 36Аr, 38Аr и 40Аr, соответственно, составляет 0,42; 0,08 и 0,50. Этим соотношением планета говорит что-то важное, но пока не ясно что именно.

Главным среди других малых составляющих оказался сернистый газ SO2, который играет важную роль в метеорологии Венеры. Его содержание составляет 2×10—5. В малых количествах имеются сероводород H2S и сероокись углерода COS. Известно также, что в атмосфере Венеры есть угарный газ (5×10—5), соляная (4×10—7) и плавиковая (10—8) кислоты. Концентрации указаны по отношению к углекислому газу. Таким образом, общим для атмосфер Земли и Венеры остается только азот. В остальном состав их совершенно различен. Причина этого лежит в разных путях эволюции планет.


Ветер Венеры

Значительная часть атмосферы Венеры находится в быстром движении. Сильные ветры связаны с общим быстрым вращении средних слоев атмосферы, содержащих и облачный слой, над медленно вращающейся планетой. Это движение газа, огибающее планету с 4-суточным периодом в направлении ее вращения, называют суперротацией атмосферы Венеры.

Средняя горизонтальная скорость ветра на высоте 54 км. составляет 65-70 м/с. Выше верхней границы облаков (70 км.) скорость ветров быстро падает. Она уменьшается также в глубь атмосферы, где увеличивается плотность газа. Наибольшую кинетическую энергию несут потоки газа в интервале 16-32 км. Ниже 10 км. скорость ветра — всего единицы метров в секунду. Прямые измерения скорости ветра у поверхности планеты показали от 0,4 до 1,3 м/с. Правда, из-за высокой плотности атмосферы, которая в 54 раза плотнее земной, эти скорости эквивалентны по динамическому давлению (ρυ2) в 7—8 раз более быстрым земным ветрам. По-видимому, этого все-таки недостаточно, чтобы пыль поднималась с поверхности, поскольку измерения неизменно показывают, что ниже облачного слоя атмосфера представляет собой чистую, незамутненную газовую среду.

Зональные ветры ураганной скорости (300 км/ч и более) охватывают широты от экватора до ±40°. Выше их скорость уменьшается, а в приполярных областях динамика атмосферы резко меняется. Здесь, по крайней мере у северного полюса, расположен так называемый полярный вихрь, который, по-видимому, включает в себя нисходящие потоки газа.

С суперротацией связан такой парадокс. Масса атмосферы составляет ощутимую часть (10—4) всей массы планеты. Между атмосферой и поверхностью есть трение. Тогда, каковы бы ни были причины быстрого движения атмосферы, вращаясь в одну и ту же сторону из века в век, она должна передавать поверхности часть своего момента импульса. Иными словами, атмосфера должна разгонять твердое тело планеты. В действительности же мы видим, что вращение Венеры заторможено, причем период ее вращения настолько близок к резонансному относительно Земли, что это не может быть случайным. Почему атмосфера не ускоряет вращения планеты, остается неясным.


Природа облаков Венеры и их роль в тепловом балансе

До полета«Венеры-8» было распространено мнение, что облака Венеры очень плотные. Считалось даже возможным, что на поверхности планеты царит вечная ночь. Все предшествовавшие аппараты опускались на ночной стороне, где заведомо темно и фотометрировать нечего. Спуск «Венеры-8» в районе утреннего терминатора (с местным временем около 6ч. 25мин.) позволил установить, что на поверхности светло, освещенность составляет сотни люксов. Особенно подробные исследования спектра освещенности и строения облаков в дневной зоне были выполнены в 1975—1982 гг. новым поколением зондов «Венера» (СССР) и «Пионер-Венера» (США). По мере спуска, от уровня 70 км. освещенность постепенно падает. Но даже на поверхности она остается еще высокой. Днем там примерно так же светло, как на Земле в пасмурный день со сплошной (но не грозовой) облачностью.


Строение облаков Венеры

Облака Венеры совсем не похожи на мощную облачность Земли. Они скорее напоминают туман, когда предметы, удаленные на несколько километров, становятся невидимыми. Кажущаяся плотность объясняется только большой протяженностью этого облачного слоя.

На высоте от 49 до 67 км. находятся три относительно плотных яруса облаков с периодически меняющейся концентрацией частиц и очень тонкие слоистые облака под их нижней границей. Вниз от 49 км. начинается практически безоблачная атмосфера. Под толстым слоем облаков находится глубочайший океан сильно сжатого углекислого газа. Газ настолько плотен, что и без облаков сильно рассеивает свет. Если облака ослабляют его всего в 2—3 раза, то подоблачная атмосфера — еще раз в 10. Вероятно, даже с высоты 25 км. поверхность планеты не видна. (Все же есть узкое спектральное «окно прозрачности» вблизи 1 мкм).


Состав облаков Венеры

Облака Земли, как известно, состоят из мелких капель воды. Но приписать ту же природу венерианским облакам не удавалось: хотя данные говорили о жидких каплях, но это не могла быть вода. Во-первых, количество водяного пара там очень мало. Во-вторых, измерения показали, что коэффициент преломления света у частиц в облаках Венеры составляет 1,44 (у воды он 1,33). К тому же, температура в верхней части облаков (—40°С) исключает жидкую воду.

Только в 1973 г. удалось найти химическое соединение, которое отвечало всем имевшимся данным. Верхний ярус венерианских туманоподобных облаков, расположенный в интервале высот от 57 до 75 км., — это мельчайшие капли с оптическими свойствами концентрированной 80%-ной серной кислоты. Их диаметр очень мал: 0,4—2 мкм. На высоте 66 км. таких частиц около 300 на 1 см3. Концентрация двухмикронных капелек в верхнем слое с увеличением высоты убывает практически до нуля, но более мелкие частицы, около 0,4 мкм., присутствуют здесь в большом количестве. Вероятно, здесь они и образуются из газовой фазы. Нижняя граница облаков 48—49 км. обладает какими-то критическими для капелек свойствами. Температура здесь близка к 110°С, а давление 1,1 бар.


Тепловой баланс Венеры

Облачный покров Венеры практически непроницаем для инфракрасного теплового излучения; это своеобразное «одеяло» планеты. Ее тепловой баланс почти полностью определяет уходящее в космос излучение самих облаков в диапазоне 7—25 мкм. Кроме этого Венера светится и в ближнем инфракрасном диапазоне 1—2,5 мкм. Свечение исходит от поверхности и из нижних, раскаленных слоев атмосферы; оно пробивается сквозь поглощающее «одеяло» углекислого газа в узких спектральных полосах, так называемых «окнах прозрачности».

Эффективная температура теплового излучения (т.е. температура абсолютно черного тела, которое излучает с единицы поверхности столько же энергии, сколько реальное исследуемое тело) у Венеры ниже, чем у Земли. Казалось бы, это противоречит тому, что поверхность Венеры гораздо горячее земной. Но противоречия здесь нет: уходящее в космос тепловое излучение Венеры создается ее облачным слоем. Вспомним, что сферическое альбедо Венеры в оптическом диапазоне составляет 0,77. То есть, планета отражает 77% падающего на нее солнечного света и только 23% поглощает, в то время как Земля поглощает 67%. Если учесть, что потоки солнечной энергии у Земли и Венеры соотносятся примерно как 1:2, то различие получается в пользу Земли: она поглощает в 1,5 раза больше энергии и должна во столько же раз больше ее излучать. Поэтому излучающая поверхность Земли (в основном это твердая поверхность) горячее, чем излучающая поверхность Венеры — ее облачный слой. А лежащая под облаками твердая поверхность Венеры не имеет почти никакого отношения к радиационному балансу планеты.


Динамика и химия облаков

Измерения показывают, что размеры капель в венерианских облаках удивительно однородны, в отличие от земных облаков. Это значит, что мы видим слой из недавно образовавшихся частиц, иначе однородность их размеров была бы нарушена в процессе столкновений и слияний частиц. Напрашивается вывод, что этот сернокислотный дождь падает откуда-то сверху. С некоторым преувеличением можно сказать, что в метеорологии сухой атмосферы Венеры соединения серы играют ту же роль, что вода в метеорологии Земли. Сернистый газ SO2, которого довольно мало, около 3×10—5 от количества СО2, в присутствии мощного ультрафиолетового излучения Солнца в надоблачной атмосфере фотолитически окисляется кислородом в серный ангидрид SO3.

Серный ангидрид тут же взаимодействует с небольшим имеющимся количеством водяного пара и дает серную кислоту. Ее количество невелико, но вполне достаточно для существования облачного слоя планеты. Эти частицы постепенно опускаются вниз, при этом они иногда сталкиваются и сливаются. Когда они достигают уровня 49 км., из-за высокой температуры серная кислота разрушается, а угарный газ реагирует с серным ангидридом, разрушает его и оставляет взамен углекислый и сернистый газы. Еще ниже остатки угарного газа отнимают у части сернистого газа последние атомы кислорода, а в атмосферу выделяется газообразная сера.

Наличие в атмосфере серной, соляной и плавиковой кислот связано с высокой температурой поверхности. Общее количество серной кислоты в атмосфере Венеры вполне соответствует обилию серы в вулканических газах и на поверхности. (Серная кислота в очень незначительных количествах появляется и в атмосфере Земли, но быстро растворяется в воде и выпадает с осадками). Кислоты взаимодействуют с материалом поверхности, благодаря чему устанавливается динамическое равновесие.

Химический состав облаков Венеры и особенности их движения позволили объяснить природу полос, заметных только в ультрафиолетовых лучах. Она заключается в том, что на основном слое облаков, который кончается на высоте примерно 70 км., лежит слой дымки толщиной 8—12 км. Эта дымка прозрачна и не видна для всех длин волн длиннее 350 нм. (ближний ультрафиолетовый диапазон). В ультрафиолетовых лучах она сильно рассеивает свет. Нижний слой, наоборот, сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. По-видимому, пестрота облачного слоя отражает неравномерное распределение присутствующих в атмосфере газообразных соединений, вызывающих поглощение в ультрафиолете. На уровне верхней границы облаков весь слой завершает один оборот вокруг планеты за 4—5 сут., именно таков период, с которым повторяется рисунок ультрафиолетовой фигуры.


Прямые исследования поверхности Венеры

Далее, при описании поверхности Венеры, нам часто будут встречаться понятия «восток, запад, север, юг». Учитывая необычный характер вращения Венеры, их следует уточнить. Северное полушарие Венеры лежит к северу от эклиптики, южное — к югу. Восточным считается направление против часовой стрелки, если смотреть сверху на северный полюс планеты (так же, как и на Земле). Таким образом, вращается Венера с востока на запад (а Земля — с запада на восток). Отсчет долгот производится от центрального меридиана к востоку, от 0° до 360°. Этот нулевой меридиан выбран так, что он проходит точно через центр небольшого метеоритного кратера Ариадна диаметром 28 км., лежащего на равнине Седны (его северная широта около 44°). В качестве курьеза отметим, что Солнце на Венере восходит на западе. Впрочем, это не имеет значения, ибо с поверхности планеты его диск все равно не виден, а рассеянный солнечный свет практически однородно разлит по небосводу.

Телевизионное изображение поверхности Венеры, которое передала со дна ее газового океана советская «Венера-9» (1975 г.), было первым изображением, полученным с другой планеты (не считая Луны). Оно показало нагромождение камней на склоне горы — восточном склоне горного массива Бета, в точке с координатами 32°с.ш. и 291°в.д. Лишь спустя несколько лет выяснилось, что Бета — вулканический массив, причем один из крупнейших в Солнечной системе. Более того, по некоторым признакам одна из его частей может сейчас находиться в активном состоянии.


Рис. Массива Бета.

На панораме, которая охватывает угол в 170°, видны камни, разбросанные по всему полю снимка. Самые крупные из них — метровые глыбы у горизонта. Между камнями виден рыхлый грунт. В нем содержится 0,3% калия, 0,6×10—4% урана и 3,6×10—4% тория. Такой состав более или менее характерен для базальтоидов. Вместе с другими данными он свидетельствует о глубокой геохимической дифференциации коры Венеры.


«Венера-9» села на крутом склоне: приборы показали, что наклон составляет 30°. Аппарат проработал на поверхности 53 минуты, пока мог противостоять адскому теплу окружающей атмосферы. Камни на разрушающемся склоне горы указывают на активность коры планеты. Эти камни не могут быть очень старыми, поскольку за долгое время они все-таки разрушаются под действием ветра и небольших изменений температуры. Значительные изменения температуры, которые на Земле вместе с водой и ветром довольно быстро разрушают рельеф, на Венере отсутствуют: различие дневной и ночной температур поверхности по расчетам не превышает одного градуса — это своеобразный природный термостат. Скорость ветра у поверхности, как уже отмечалось, не превосходит 1 м/с, но из-за большой плотности атмосферы Венеры это равносильно земному ветру 8 м/с — весьма внушительно. «Свежие» обломки, которые видны на рис., могли возникнуть под действием каких-то внутренних сил, например, сейсмических явлений.

Зонд «Венера-10» (1975 г.) опустился ближе к экватору, на расстоянии 1700 км. от «Венеры-9», в точке с координатами 16°с.ш. и 291°в.д. Он сел практически без наклона на обширную каменную плиту на равнине у южного склона Беты и передавал данные в течение 65 минут. Зонды «Венера-13 и -14» (1 и 5 марта 1982 г.) опустились намного южнее Беты, на 750 и 1350 км. к югу от экватора, в 1600 и 2700 км. к востоку от центра меньшего, чем Бета, горного массива Феба, расположенного на той же долготе. Их телефотометры впервые передали цветное изображение ландшафта, окружающего аппараты. К тому же, каждый из аппаратов специальным грунтозаборником взял с поверхности образец грунта, поместил его в герметичный корпус аппарата и с помощью рентгеновского флюоресцентного спектрометра определил химический состав.

На снимках «Венеры-13» показана поверхность, очень похожая на ту, что видна на панораме «Венеры-10», хотя расстояние между точками их посадки 2820 км. Изображение состоит из двух частей; каждое охватывает по 170° одной из сторон от аппарата. Оси камер были наклонены на 50° к вертикали, что позволило увидеть подробности в центре снимка и получить изображение участков с меньшим разрешением вплоть до горизонта на краях панорамы.


Рис. «Венера-13».

Самые мелкие частицы грунта, различимые на снимке, имеют размер 3 мм. Раздробленный грунт в центре состоит из мелких частиц и камешков до 50 мм. Здесь же видны каменные плиты протяженностью 0,5—2 м. Возможно, рис. показывает наиболее распространенные на Венере пейзажи. Геологи считают, что каменные плиты — это выходы коренных скальных пород, обладающие заметной слоистостью. Поверхность плит носит следы выветривания (бугорки и ямки).

Интересно происхождение мелкого грунта. Частично это продукт разрушения каменных плит. Вид рыхлого грунта говорит о большом возрасте поверхности. Приборы зарегистрировали пылевое облако, которое образовалось при ударе аппарата в момент посадки. Грунт может также содержать вулканические пеплы, а некоторые тонкие каменные плиты могут быть сцементированной (литифицированной) коркой таких пеплов. Не исключено, что поверхность в районе посадки «Венеры-13» носит следы недалеких вулканических извержений, хотя геологи допускают, что на снимке рис. видны туфы базальтового состава, а не излившиеся на поверхность лавы.

Таким образом, однотипный ландшафт видели три «Венеры» из четырех. Это рыхлый грунт и выходы коренных пород, которые изломаны в куски каким-то неизвестным процессом.

Дальний склон на панорамах «Венеры-13 и -14» окрашен в яркий желто-зеленый цвет, в то время как ближняя часть того же района имеет бурые и оранжево-зеленоватые оттенки. Это связано с составом света, рассеянного в плотной атмосфере. Голубой цвет земного неба — результат рэлеевского рассеяния света молекулами воздуха, которое быстро ослабевает с ростом длины волны света (λ—4). Поэтому небо Земли, строго говоря, больше фиолетовое, чем голубое. На Венере рэлеевское рассеяние действует во много раз сильнее. Кроме того, синие лучи поглощаются некоторыми газами в атмосфере. Лишь незначительная часть синих и голубых лучей достигает поверхности Венеры. Поэтому небо над горизонтом там имеет яркий оранжевый и желто-зеленый оттенок.

Поверхность Венеры, состоящая главным образом из базальтоидов, имеет неяркие характерные оттенки — черный и коричневый. Как и на Земле, основную окраску грунту придают соединения железа: двухвалентный ион железа дает зеленоватый тон, трехвалентный — красноватый. В качестве возможного земного аналога венерианской поверхности называют окрестности вулкана Толбачик на Камчатке, сильное извержение которого наблюдалось в 1975 г. Однако цвет вулканической породы у Толбачика отличается от цветов на снимках с Венеры из-за различий в спектральном составе освещения. В грунте Венеры примерно половину составляет кремнезем (Si02). В таблице приведен состав поверхности Венеры, найденный рентгенофлуоресцентным методом в трех точках посадки.

Исходя из состава, порода в месте посадки «Венеры-13» отнесена к довольно редким на Земле толеитовым базальтам, которые можно встретить, например, на Гавайях.

Цветовые оттенки на панорамах «Венеры-13 и -14» удобно сравнивать с белыми полуцилиндрическими крышками телефотометров. Эти крышки отбрасывались перед началом работы и лежат на грунте, как можно видеть на снимках. Но с одной из четырех крышек произошло непредвиденное: пробник для измерения механических свойств грунта, распрямляясь, вонзился именно в крышку. Другого места на Венере для него не нашлось!


Зонд «Венера-13» за 127 минут, которые он проработал на поверхности планеты, 11 раз передал панорамные изображения, которые показали, что количество грунта, выброшенного на поверхность посадочного буфера, постепенно уменьшалось. Причина может быть лишь одна: ветер. Он сдувал мелкие частицы, оставляя следы за выступающими деталями аппарата. Измерения показали, что скорость ветра вокруг «Венеры-13» была от 0,5 до 0,6 м/с, а иногда немного больше. В результате крупинки грунта до 4 мм., а также более мелкий материал постепенно исчезли с посадочного буфера.

Скорость ветра в месте посадки «Венеры-14» была почти вдвое меньше. Вид поверхности в этом районе (13°15'ю.ш., 310°09'в.д.) совершенно не похож на предыдущие снимки. В нижней половине видна ровная поверхность, образованная наслоением горизонтальных плоских плит небольшой толщины, иногда до 12 слоев. Местами плиты растрескались, но сыпучего грунта здесь почти нет.

Скорость ветра, которую при спуске аппарата обычно измеряют по доплеровскому смещению частоты радиосигнала, в 1982 г. определяли еще одним, несколько необычным методом — с помощью микрофона. Вообще говоря, он предназначался для регистрации шума, создаваемого устройствами самого зонда, поскольку эти шумы могли помешать регистрации микросейсмов — очень слабых колебаний грунта, которые записывал сейсмограф. Выяснилось, что кроме ожидавшихся звуков, микрофон слышал также шум ветра, обтекавшего его арматуру. В пересчете на условия Венеры скорость ветра составила всего 0,37 м/с. Этого хватало на перемещение лишь мелких частиц.

В левой части первой панорамы рис. сквозь разлом в темной поверхности видна более светлая плита нижнего слоя. Было высказано предположение, что грунт здесь представляет собой затвердевшие слои горизонтально растекавшейся во время вулканических извержений лавы. Однако по горизонтальной поверхности лава далеко не растечется, и ее поверхность при этом получается неровной. Но в дальнейшем сходный вулканический пейзаж на Земле все же удалось найти. Тем не менее группа геологов выступает с другой гипотезой, состоящей в том, что этот рельеф возник в процессах накопления осадков (седиментации), когда осаждение последовательных слоев происходило через большие интервалы времени. Предполагается, что пыль выбрасывалась в атмосферу вулканами, а затем медленно осаждалась на поверхность, где слеживалась и спекалась. «Венера-14» стоит на совершенно плоской равнине, в то время как «Венера-9 и -13» опустились в холмистой местности. По сравнению с температурой и давлением, зарегистрированными «Венерой-13» (738 К и 89,5 бар), более высокие значения (743 К и 93,5 бар), переданные «Венерой-14», указывают, что место ее посадки находится на 0,7 км. ниже.

Так выглядят небольшие участки поверхности, которую Венера долго скрывала от нас. Но кроме панорам мест посадки зондов «Венера», планетологи имеют и весьма детальные глобальные карты, полученные с помощью радиолокаторов, находящихся как на Земле, так и на борту космических аппаратов.


Радиолокационные карты и география Венеры

Планетную радиолокацию можно отнести к главным достижениям техники конца XX в. В начале 1970-х появилась первая радиокарта Венеры. Она давала распределение коэффициента радиоотражения, который, в принципе, прямо не связан с оптически темными и светлыми районами поверхности. Наземные радиолокационные исследования Венеры наиболее удобно проводить вблизи ее нижнего соединения, когда планета наиболее близка к Земле. В верхнем соединении планета слишком далека от нас. Поэтому первая наземная радиолокационная карта могла охватить только одно полушарие планеты (точнее, 30% всей ее территории).

Первые топографические карты были невыразительными, так как Венера оказалась равнинной планетой. Подробности появились вместе с новым мощным инструментом космических исследований — радиолокатором бокового обзора. Такие локаторы были установлены на советских аппаратах «Венера-15 и -16», выведенных в 1983 г. на полярные эллиптические орбиты с перицентром вблизи северного полюса планеты. За каждый виток орбиты аппараты картировали полосу поверхности шириной 150 км. и длиной в четверть окружности планеты. В общей сложности было картировано 66% территории северного полушария Венеры, включая район полюса с разрешением до 1 км. Еще лучшее разрешение, до 120 м., было получено локацией с американского аппарата «Магеллан», который работал на орбите спутника Венеры с 1990 по 1994 г.

Если бы поверхность Венеры была покрыта водой до «нулевого» уровня, т.е. до 6051 км. по радиусу, то 92% ее поверхности скрылось бы под неглубоким океаном. Над воображаемой водной поверхностью выступали бы только три массива — в северной, восточной и западной частях планеты. Рельеф Венеры характеризуется равнинными районами, горами и низменностями. По аналогии с Землей горные районы Венеры можно называть материками. Их суммарная площадь невелика. К ним относятся три большие области: земля Иштар, где расположены плато Лакшми и высочайшие на Венере горы Максвелла (центр у 63°с.ш., 2,5°в.д.); крупнейший материк — земля Афродиты, простирающийся в южном полушарии почти до 10-й параллели; область Бета (центр 30°с ш., 283°в.д., на левом краю), склоны которой известны по снимкам «Венеры-9 и -10». Горные районы Венеры похожи на горные районы Земли, но занимают всего 8% поверхности планеты.


Несколько большую площадь имеют низменности: 27%. К ним относятся Аталанта (центр 63°с.ш., 163°в.д.), представляющая большую равнину диаметром 2500 км., углубленную почти на 2 км. относительно среднего уровня, а также некоторые другие районы. Остальная поверхность находится на промежуточных высотах и представляет собой волнистые равнины, вероятно, вроде тех, что представлены на снимках «Венеры-13». В северо-восточной части земли Афродиты имеются многочисленные горные цепи высотой 1,5—2 км., разделенные интервалами около 1000 км.

Большая часть коры Венеры очень древняя; в пользу этого говорит сравнение кривых распределения метеоритных кратеров по размерам для Земли и Венеры. Возможно, кора Венеры более стабильна, тогда как Земля потеряла значительную часть древней коры в процессе ее переработки. По своей геологической истории Венера и Земля различаются. Тектоническая деятельность Венеры, по-видимому, менее активна, но локальные ее проявления очень заметны, например, земля Иштар, о которой речь пойдет ниже.

Земля и Венера — единственные планеты, носящие женские имена. Когда пришла пора называть детали на карте Венеры, было решено, что всем им (за одним исключением) будут присваиваться только женские имена из языков всех народов мира, принадлежащие историческим, мифологическим и литературным героиням.


Рис. Фото горы Маат высотой 8 км.


Если считать Альфу и Бету также женскими именами, то единственным исключением стало название «горы Максвелла», о которых речь пойдет впереди. Уточнение структуры области Альфа позволило привязать нулевой меридиан к небольшому, но заметному кратеру. Для начала координат среди женских имен было остроумно выбрано имя Ева.

Структура Альфы (25°ю.ш., 0°в.д., светлая область) — это волнистое плато размером около 1300 км. с небольшим понижением в центре. Альфа относится к древней части коры Венеры. Рельеф этой области образован многократным и длительным процессом сжатия, создавшим сложно ориентированную складчатость поверхности. Альфа возвышается до 2,5 км. над окружающей местностью (с юга это равнина Лавинии). Плато имеет сильно раздробленную поверхность. За время существования Альфы, достигающее 1 млрд. лет, процессы сжатия образовали систему пересекающихся долин и гряд. Такой рельеф получил название «тессера». На рис. крупным планом показан участок Альфы размером. Такие же тессеры встречаются и в других районах планеты.


Рис. Область Альфа с кратером Ева.


Рис. Чуть ниже центра область Альфа с кратером Ева (долгота центрального меридиана 0°). Высоко на севере располагаются плато Лакшми и горы Максвелла (светлое пятно).


Наибольший из «континентов», или «материков» — Земля Афродиты, расположенная в экваториальной области, имеет протяженность около 18 тыс. км. и охватывает долготы 60—220°. В широтном направлении она простирается от 10°с.ш. до 45°ю.ш. (более 5000 км.), а ее восточная оконечность Атла тянется до 30°с.ш. Площадь континента по уровню 6052,2 км. составляет 41 млн. км2., что близко к площади Африки. (В сумме континенты Венеры занимают лишь 5—7% территории, в зависимости от того, по какому превышению над средним уровнем считать). Здесь расположено большое число ярких в радиолучах кольцевых образований. Их глубина невелика, всего сотни метров.


Рис. Светлая полоса, пересекающая полушарие вдоль экватора, это крупнейшая возвышенность на Венере — Земли Афродиты (долгота центрального меридиана 180°).


На южной окраине Земли Афродиты находится необычное образование — каньон Артемиды (разомкнутое кольцо в юго-западной части). Это что-то вроде огромного кратера-фантома сравнительно правильной формы и диаметром около 2600 км., с сильно разрушенным двойным валом и ярким в радиолучах пятном в центре (34°ю.ш., 135°в.д.). Рифтовая система каньона Артемиды напоминает сильно разрушенный срединноокеанический хребет на Земле.


Рис. Каньон Артемиды.


Типичные равнины Венеры — обширные Равнины Седны и Гиневры. По многим признакам центральную и южную части равнины Седны можно отнести к вулканическим образованиям. Вероятно, она похожа на базальтовые равнины Марса и Луны. Равнину Седны составляют холмистые районы. Равнины Венеры можно лишь условно считать плоскими. На них встречается большое разнообразие рельефа. Гряды, вытянутые с северо-запада на юго-восток и разделенные интервалами примерно в 1 км., представляют рельеф в районе 30°с.ш., 333°в.д.


Рис. Равнина Гиневры.


Во многих районах Венеры встречаются кратеры несомненно метеоритного происхождения. Так, в 2000 км. к западу от Альфы, на равнине Лавинии расположена группа из трех больших ударных кратеров диаметрами от 37 до 63 км. По-видимому, они имеют общее происхождение и порождены большим метеоритным телом, распавшимся в атмосфере на три части. Высокая раздробленность материала валов кратеров увеличивает эффективность отражения радиоволн, поэтому валы кажутся светлыми. И наоборот, темный фон указывает на относительно гладкую поверхность окружающей равнины.


На Венере обнаружено 850 метеоритных кратеров диаметрами от 1,5 до 280 км.; они сравнительно равномерно распределены по поверхности. Плотная атмосфера рассеивает импульс, которым обладает метеоритное тело. Поэтому основное число метеоритных кратеров должно было образоваться в очень отдаленную эпоху, когда масса атмосферы была значительно меньше. Впрочем, крупные метеоритные тела с массой более 108 кг. могут пробить атмосферу Венеры даже теперь. Но таких тел мало. По результатам, полученным с «Магеллана», было установлено, что метеоритные кратеры Венеры похожи на молодые ударные кратеры Земли, но гораздо старше их; они отражают события последних 500 млн. лет. Многие удары сопровождались обильными лавовыми излияниями; таков кратер Изабелла.


Рис. Кратер Изабелла.


Следы намного более ранних событий на поверхности планеты не сохранились. Во всяком случае похоже, что полмиллиарда лет назад усиление вулканизма на Венере значительно обновило ее поверхность. Ныне вулканы планеты изливают около 0,5 км3 лавы в год, что близко к показателям Земли.

Вулканизм Венеры — важный фактор ее жизни. Вулканы там обычно небольшие, около 20 км. в диаметре, хотя имеются и более крупные: у 150 вулканических объектов диаметры превышают 100 км., а общее число вулканов — более 1600. Формы многих из них необычны. Среди них есть «короны» (концентрические валы), «арахноиды» (радиальные структуры с концентрическими валами), извилистые лавовые каналы, достигающие в длину 1000 км., и другие. Все данные указывают на присутствие огромных резервуаров лавы под поверхностью планеты. Вулканизм Венеры относится к восходящим мантийным потокам и системе «горячих пятен». У Венеры вулканизм распределен практически глобально, тогда как на Земле он концентрируется вдоль границ плит. Несколько повышена плотность вулканов в районах, охватывающих около 20% территории вдоль экватора Венеры.

Внимание исследователей привлекли необычные, совершенно круглые образования, с плоской, а иногда проваленной верхушкой и очень крутыми склонами. Семь таких «тарелок» диаметрами, в среднем, около 25 км. вытянуты в линию, вероятно, вдоль глубокой трещины, сквозь которую поднималась магма. Они расположены у восточного края Альфы, который виден на том же рисунке, и напоминают толстые блины с крутыми краями. Предполагается, что они образовались при излияниях очень вязкой лавы, которая медленно растекалась и застывала.


Вулканы Земли во время извержений часто выбрасывают огромные тучи пыли, которая покрывает толстым слоем окрестные районы. Заметить вулканическую пыль в атмосфере Венеры не удалось: ее подоблачная часть всегда была чистой. Но следы пыли на поверхности («хвосты» за некоторыми кратерами) все же удалось найти, причем не только от вулканов.

С севера к равнине Седны примыкает второй по величине материк Венеры — земля Иштар. Ее площадь около 8,5 млн. км2 (примерно площадь Австралии). В широтном направлении Земля Иштар тянется на 2500 км., в долготном — почти на 8000 км. Это своеобразный геоморфологический заповедник, объединяющий совершенно несходные элементы рельефа: обширное высокогорное плато Лакшми вулканического происхождения, горы Максвелла, примыкающие к нему с востока, и расположенный на восточной оконечности материка район особого рельефа. Плато Лакшми лежит на высоте 3—4 км (2—3 км над окружающим районом). Оно вдвое больше земного Тибета. На его поверхности можно видеть несколько крупных вулканических кальдер. Наиболее крупные — Сакаджавейя (64,5°с.ш., 336°в.д.) и Коллет (66°с.ш., 323°в.д.) размерами около 100 и 160 км. По ряду признаков они близки к щитовым вулканам. Рельеф горных районов Земли Иштар чрезвычайно сложен. Общего мнения о тектонических процессах образования Земли Иштар пока нет.


Рис. Земля Иштар плато Лакшми и горы Максвелла.

Другая достопримечательность этой области — горы Максвелла, примыкающие к плато Лакшми с востока. Ставшее исключением для топонимики Венеры мужское имя Джеймса Клерка Максвелла (1831—1879), теоретически открывшего радиоволны, было присвоено высочайшим горам планеты, чтобы подчеркнуть роль радиолокации в исследованиях Венеры. Горы Максвелла находятся в центральной части земли Иштар. На западе можно видеть выступающий язык плато Лакшми. Центральная часть горного массива находится на уровне 7 км. над плато, причем крутизна склона с западной стороны очень велика; даже усредненная по радиоизмерениям она достигает 18°. Во многих отношениях горы Максвелла напоминают горы Акны и Фрейи, обрамляющие плато Лакшми с севера и запада, — такая же складчатость рельефа с типичной шириной складок 10—20 км. Высочайшая часть гор Максвелла находится в 50 км. от их подножья со стороны плато. Вершина массива (63°с.ш., 2,5°в.д.) достигает уровня 11 км. над средней поверхностью (радиус 6051,6 км). На 5 км. ниже вершины расположен необычный кратер — патера Клеопатры (66°с.ш., 10°в.д.) с диаметром внешнего вала 100 км. Внутри большого кратера находится еще один с внутренним диаметром 50 км и глубиной 1 км относительно дна внешнего. Общая их глубина 2,5 км.


Рис. Радарный снимок «Магеллана». Горы Максвелла — светлая область. Слева внизу — плато Лакшми, справа — тессера Фортуны. Тёмный кратер правее и выше центра — Клеопатра. Чёрные полоски — незаснятые места.

Происхождение этого кратера вызывает споры. Если он метеоритный, то как удалось очень большому метеориту угодить почти точно в высочайшую вершину? Если же это вулканическая кальдера, то почему она находится в стороне от вершины? Против вулканической гипотезы говорит отсутствие радиальных лавовых потоков, но оказалось, что такой же вид имеет вулкан Пакка в Кении (Африка). Все же большинство планетологов считает, что Патера Клеопатры — это ударный кратер гигантских размеров. На его северо-восточном склоне виден прорыв вала, через который лава вытекала и заливала всю восточную часть района. Излияние лавы могло быть следствием вскрытия ее резервуаров при ударе метеоритного тела. Возможно также, что при ударе расплавились горные породы, что вызвало извержение.

По-видимому, тектоническая активность Земли Иштар относится к прошлому. Возраст плато Лакшми и прилегающих районов оценен в 0,5—1 млрд. лет. Это подтверждает, что метеоритные кратеры на Венере сохраняются до 500 млн. лет, в то время как на Земле они разрушаются за несколько миллионов лет.

В 4000 км. к юго-западу от Земли Иштар находится область Бета. Этот массив состоит из двух сходных по размерам частей: горы Реи и горы Тейи. Вид восточного склона Беты известен: там опустились «Венера-9 и -10». С большой вероятностью можно считать Бету огромным щитовым вулканом. На светлом фоне горы Тейи выделяется черное пятно, похожее на вулканическую кальдеру на вершине горы. Отходящие в стороны лучи — это, вероятно, следы лавовых потоков. Массив Бета достигает в высоту 4—5 км. над средним уровнем планеты. Исходя из видимых разрушений, специалисты считают гору Реи старым образованием, а гору Тейи — более молодым. Проявления современного вулканизма возможны именно в районе Беты.


Рис. Область Бета.


Таким образом, радиолокационная техника позволила осуществить то, о чем так долго мечтали астрономы: увидеть поверхность Венеры.


Парадокс устойчивости рельефа

Существование на поверхности Венеры высоких гор еще недавно казалось сомнительным. В самом деле, материал, из которого сложена кора Венеры, по составу близок к базальту.

Об этом говорят все измерения. На Земле высокие горы плавают на более плотной мантии за счет «поплавков» — корней из материала относительно малой плотности, например толстого слоя базальта. Однако температура поверхности Венеры (460°С) такая же, как на глубине около 15 км. в земной коре. Если градиент температуры там такой же, как на Земле, то на уровне нижней части корней горных массивов базальт должен быть размягченным. Следовательно, высокие горы Венеры за непродолжительное время, казалось бы, должны «утонуть» в литосфере планеты. Но они не тонут. Объяснить это можно было бы тем, что литосфера имеет более толстый свод, и уровень размягчения коры сдвинут вниз. Но для этого требуется уменьшить градиент температуры в коре, а значит — сократить поток тепла, поступающего снизу.

Известно, что часть теплового потока создается за счет распада радиоактивных элементов, рассеянных в литосфере и, частично, в мантии, главным образом — урана, тория и калия-40. Измерения с зондов «Венера» показали, что эти элементы действительно содержатся в коре Венеры и должны создавать соответствующий градиент температуры.

Другая, значительная часть тепла, выходящего сегодня сквозь кору Земли, родилась на ранней стадии ее истории. Если высокие горы Венеры действительно указывают на малый температурный градиент в ее недрах, то это означает, что начальный запас тепла у нее был меньше, чем у Земли, либо она каким-то образом растеряла запасы своего тепла еще на ранней стадии эволюции.

Анализ рельефа Венеры указывает на большие различия геологических историй ее и Земли. Тектонические явления на Венере не носят глобального характера. Во многих местах сохранилась древняя кора. Не исключено, что поступление в атмосферу малых газообразных составляющих происходит за счет вулканической активности. Литосфера Венеры, несмотря на высокую температуру поверхности, удерживает от погружения в мантию огромные горные массивы. Несмотря на весьма плотную атмосферу во множестве сохранились ударные метеоритные кратеры.

Кроме геологических различий, есть, по-видимому, различия в составе. Если бы химический состав обеих планет совпадал полностью, средняя плотность Венеры была бы 5,34, а не 5,24 г/см3. Что же касается плотности поверхности (2,0—2,9 г/см3), то она близка к плотности поверхностных пород Земли.


«Электрический дракон» Венеры

До 1980-х годов отсутствовали сведения о грозах на других планетах, хотя предположения высказывались. По мере углубления знаний о составе атмосферы Венеры возник вопрос о том, откуда берутся некоторые ее малые составляющие. Была высказана догадка, что их происхождение связано с электрическими разрядами в атмосфере — молниями, под действием которых, например, в земной тропосфере образуются озон, окислы азота и даже циан. Некоторые астрономы сообщали о том, что иногда ночная сторона Венеры слегка светится. Но если это свечение было вызвано молниями, то на Венере они должны были вспыхивать в тысячи раз чаще, чем на Земле.

Специальные радиоприемники «Венеры-11 и -12» в декабре 1978 г. не только обнаружили многочисленные электрические разряды в атмосфере Венеры, но и установили некоторые их особенности. Судя по большому числу принимавшихся радиоимпульсов, венерианские молнии действительно многочисленнее земных. Зонд «Пионер-Венера» также принял низкочастотное радиоизлучение, отождествленное с электромагнитными импульсами молний. Была рассчитана яркость ночных облаков за счет их подсветки изнутри молниями: она оказалась немалой. Наконец, в 1995 г. появилось сообщение, что вспышки молний действительно удалось наблюдать при помощи наземных телескопов.

Но с грозами на Венере еще не все ясно. Анализ показывает, что в облаках планеты слишком мала масса материала, чтобы накопился большой заряд и возникла молния. Далее, высотная зависимость напряженности низкочастотного поля, полученная на зондах «Венера-11, -12, -13 и -14», показала: источник импульсов, возможно, находился на небольших высотах, а не в облаках. Далее поступили сообщения о странных явлениях, происходивших с четырьмя американскими зондами «Пионер-Венера» глубоко под нижней границей облаков. У всех зондов на высоте около 12,5 км. были повреждены датчики температуры и другие устройства. Лабораторные исследования приборов-двойников показали, что наиболее вероятной причиной повреждения мог быть внешний электрический разряд. Если учесть, что зонды опускались в совершенно разных районах планеты, напрашивается вывод, что электрически активная зона в атмосфере расположена низко и имеет глобальную протяженность. Еще раньше отмечались особенности радиосигналов с «Венер», словно они проходили сквозь слой плотной плазмы. Но существование плазмы на этих высотах необъяснимо с точки зрения теории. Природа электрической активности на этих высотах остается непонятной.

Если учесть, что низкочастотные радиоволны в атмосфере Венеры распространяются не на очень большие расстояния, то район, в котором принят импульс, можно грубо считать местом его возникновения. Оказалось, что импульсы действительно концентрируются в нескольких районах планеты, в том числе у горных массивов Бета и Феба, которые относятся к вулканическим, и в восточной части Земли Афродиты. В 1990 г. аппарат «Галилей» на сложном пути к Юпитеру сблизился с Венерой. Его приборы тут же зарегистрировали знакомые электромагнитные всплески, идущие от планеты. И в этом эксперименте был сделан прежний вывод: импульсы рождаются в мощных электрических разрядах на планете. К сожалению, эксперимент не позволял определить, откуда приходят импульсы, хотя область Феба была в пределах видимости.

Именно близ Фебы в 1978 и 1982 гг. опустились аппараты «Венера-11, -12, -13 и -14». Возможно, «Венера-11» попала в одну из самых активных областей. Позже установили, что районы регистрации электромагнитных импульсов обычно соседствуют с областями гравитационных аномалий. На Земле такие аномалии сопутствуют молодому вулканизму, причем при извержениях вулканов часто наблюдаются электрические разряды. Поэтому не исключено, что молнии на Венере связаны не с облаками, а с вулканическими извержениями, которые еще предстоит обнаружить.


Недра Венеры. Отсутствие магнитного поля

Если тепловыделение от распада радиоактивных элементов в коре Земли и Венеры одинаково, то средний тепловой поток через поверхность планеты должен быть около 0,05 Вт/м2. Благодаря конвекции в мантии Земли, тепловой поток выносится на ее поверхность главным образом через «горячие точки» — срединноокеанические рифты и, в меньшей степени, вулканы. Но на Венере, где рифты немногочисленны, основной вынос тепла может происходить лишь при извержении вулканов. Просачивание тепла сквозь кристаллическую кору благодаря молекулярной теплопроводности для Венеры должно играть второстепенную роль, так как при большом тепловом потоке существование высоких гор на планете было бы невозможным. Постоянно извергающиеся вулканы могли бы дать выход теплу и сохранить от плавления корни горных массивов.

Впрочем, противники вулканизма Венеры обращают внимание, что гравитационные аномалии там значительно сильнее, чем для массивов того же масштаба на Земле, что указывает на какие-то необычные процессы в литосфере Венеры. Возможно, в горячих точках лава выдавливается на поверхность из мантии и динамически поддерживает вулканические массивы вроде Максвелла или Беты.

Следует упомянуть еще один аспект вулканизма Венеры. С космических аппаратов наблюдалось внезапное резкое обогащение верхней части облачного слоя дымкой — мельчайшими аэрозольными каплями. Имеются сообщения, что подобное иногда наблюдалось и на Земле. Для образования избытка аэрозоля что-то должно было резко увеличить концентрацию сернистого газа. Было высказано предположение, что причиной служит гигантское вулканическое извержение. Но количество сернистого газа в атмосфере не может существенно измениться в результате одного извержения; для этого нужны миллионы лет. Механизм проще. Сернистого газа много в подоблачной атмосфере. В момент мощного извержения (как извержение Тамборы в 1815 г.) выбрасывается огромное количество тепла, которое разогревает приземные слои атмосферы и образует настолько мощную конвекцию, что восходящие потоки воздуха выносят достаточное количество сернистого газа в надоблачную атмосферу. Там он перерабатывается в серную кислоту и образует избыток аэрозоля. Подтверждается такое объяснение не только внезапностью обогащения, но и постепенным, в течение нескольких лет, уменьшением концентрации аэрозоля.


О строении недр Венеры пока мало данных. Ее безразмерный момент инерции, по-видимому, лишь чуть больше, чем у Земли. Пока он точно не найден; обычно принимают значение 0,333. Ядро планеты несколько меньше, чем у Земли. На него приходится около 12% массы (у Земли 16%). В целом недра Венеры должны быть похожи на земные недра, хотя литосфера может быть более толстой.

С внутренним строением Венеры и особенностями ее вращения связана проблема отсутствия у нее магнитного поля, что выделяет ее из планет земной группы. У Венеры и Земли близки размеры, средняя плотность и, вероятно, строение недр. Одна из современных теорий генерации магнитного поля у небесных тел (теория динамо) указывает, что напряженность магнитного поля планеты зависит от скорости ее вращения и прецессии полярной оси. Из этой теории следует, что дипольное поле Венеры должно быть слабым. Но измерения указывают на напряженность, еще по крайней мере в 10 раз более низкую, чем предсказывает теория. Похоже, что общего дипольного поля у Венеры вообще нет.

Те слабые хаотические магнитные поля напряженностью 15—20 нТл., которые замечены в ионосфере Венеры, индуцируются в ней вмороженным в солнечный ветер межпланетным магнитным полем, напряженность которого поблизости от планеты около 10 нТл. (10—4 Гс).


Литература

Атлас поверхности Венеры. М.: Изд-во ГУГК при СМ СССР, 1989.

Бурба Г.А. Номенклатура деталей рельефа Венеры. М.: Наука, 1988.

Ксанфомалити Л.В. Планета Венера. М.: Наука, 1985.

Лазарев Е.Н., Родионова Ж.Ф. Гипсометрическая карта Венеры. М.: ГАИШ МГУ, 2008.

Gazetteer of Planetary Nomenclature (Название, их происхождение, положение на карте и изображение деталей поверхности планет и спутников) http://planetarynames.wr.usgs.gov


Глава VI


МАРС


Характеристики Марса


Большая полуось орбиты 1,524 а.е.=228 млн. км.

Сидерический период обращения («год») 687,0 сут.=1,88 лет.

Синодический период (средний) 780 сут.=2,14 лет.

Сидерический период вращения («звездные сутки») 1,026 сут.=24ч. 37мин. 23с.

Средние солнечные сутки (1 Sol) 1,028 сут.= 24ч. 39мин. 36с.

Наклонение орбиты к эклиптике 1,9°.

Эксцентриситет орбиты 0,093.

Средняя орбитальная скорость 24 км/с.

Наклон экватора к орбите 25,2°.

Масса 6,42×1023кг.=0,107 М⊕.

Средняя плотность 3,94 г/см3.

Экваториальный радиус 3397км.=0,533 R⊕.

Полярный радиус 3376км.=0,530 R⊕.

Сжатие, (Re—Rp)/Re 1/163.

Ускорение свободного падения 3,71 м/с2.

Скорость ускользания (2-я космич.) 5,03 км/с.

Безразмерный момент инерции (в единицах MR2) 0,366

Сферическое альбедо (по Бонду) 0,16.

Поток солнечного излучения у поверхности 589 Вт/м2.

Полное поглощаемое излучение 1,8×1010 МВт.

Эффективная температура 210 К.

Температура у поверхности 150—260 К.

Давление у поверхности 6,1×10—3 бар.

Состав атмосферы (% объема) С02 (95,3), N2 (2,7), Аr (1,6).

Количество спутников 2.


В раннюю эпоху физические условия на Марсе были благоприятными для возникновения и развития простейших форм жизни. Одна из главных задач будущих исследований — установить, существовала ли когда-либо жизнь на Марсе, и если нет, то почему.


Второе открытие Марса

Марс с давних времен привлекает пристальное внимание ученых и любителей астрономии. Во время великого противостояния Марса в 1877 г. итальянский астроном Джованни Скиапарелли (1835—1910) составил подробную карту планеты, на которой изобразил множество тонких темных линий, соединяющих марсианские «моря». Во время следующих противостояний Скиапарелли наносил на карту все новые линии. Он не был первым, кто их заметил, но именно его наблюдения стали очень популярными и закрепили за линиями название canali. Скиапарелли не утверждал, что «каналы» имеют искусственное происхождение и вообще содержат воду. Ведь именно Скиапарелли доказал, что марсианские моря лишены воды. Итальянское слово canali следовало переводить как «проливы» и понимать исключительно как дань астрономической традиции: если «моря» чем-то соединены, то это «проливы». Но талантливый и очень энергичный американский астроном Персиваль Ловелл (1855—1916) воспринял этот термин буквально и поверил в искусственность марсианских каналов.

Ловелл принял эстафету в 1894 г. и число зафиксированных им каналов становилось все больше. В отличие от каналов Скиапарелли, которые соединяли темные участки Марса, каналы Ловелла могли и пересекать эти области, поскольку Ловелл считал их не морями, а участками растительности, а сами каналы — полосами растительности, протянувшимися вдоль водных артерий. Он сумел заразить своим энтузиазмом коллег-ученых и множество любителей астрономии. Газеты и журналы тех времен полны самых удивительных сообщений о Марсе. Писали, что марсиане страдают от жажды на безводной планете; что они из последних сил создают глобальные ирригационные сооружения и экономят последние капли воды… Был даже организован сбор средств на постройку ракеты, которая якобы должна была доставить воду на Марс (и это в XIX веке!), после чего и сборщики и собранные ими средства таинственным образом исчезли.

Волна фантазий о Марсе захватила и начало XX в. «Война миров» Г. Уэллса, «Аэлита» А.Н. Толстого и много других произведений посвящено марсианам, — добрым или безжалостным, мудрым и вымирающим. Появление радио усилило эффект «марсианских фантазий»: в 1930-х гг. в США возникла паника, когда по радио передавали хорошо поставленный спектакль по роману Г. Уэллса. К визиту марсиан публика была подготовлена. Интересно, что марсиане остались и в литературе второй половины XX в. Это лиричные «Марсианские хроники» Р. Брэдбери, приключения Лакки Старра среди бесплотных марсиан у А. Азимова, таинственные марсианские хищники у А. и Б. Стругацких, кинобоевики… Но это уже литература другого характера, скорее, стандартные декорации, населенные земными проблемами.

Всеобщий интерес к Марсу стимулировал его изучение; в результате средства наземной астрономии здесь были исчерпаны раньше, чем для других планет, и весьма своевременно появились космические аппараты. Когда в 1959 г. к Луне устремился первый космический зонд, стало ясно, что и Марсу недолго осталось ждать.

В 1965 г. «Маринер-4» (США) во время сближения с Марсом передал несколько снимков, на которых было видно много кратеров, подобных лунным, что совсем не походило на прежние представления о Марсе. Но через четыре года пролетные зонды «Маринер-6 и -7» передали новые изображения поверхности Марса, многие районы которой совсем не похожи на Луну. Например, снимки областей вблизи северного и южного полюсов несомненно указывают на выпадение там атмосферных осадков.


Орбита, масса, период вращения и физические условия на Марсе

Марс стал первой из планет (после Земли), получившей искусственные спутники. Космические зонды засняли всю его поверхность. Это результаты миссий «Маринер-9» (1971), «Марс-4 и -5» (1974), «Викинг-1 и -2» (1976), «Марс Глобал Сервейер» (1997), «Пасфайндер» (1997), «Марс Одиссей» (2001) «Марс Экспресс» (2004) и «Марс Риконисэнс Орбитер» (2006).

На космических снимках Марс предстает диском оранжевого цвета, на котором хорошо заметны несколько типов крупных деталей: протяженные оранжевые области, за которыми долго сохранялось название «пустыни», более темный экваториальный пояс, белые полярные шапки, многочисленные кратеры и особые геологические образования. Как правило, поверхность хорошо видна сквозь очень разреженную атмосферу, в которой появляются облака — легкие белые, голубые и более плотные желтые (пылевые).

Марс вдвое меньше Земли, но вдвое больше Луны: его средний диаметр 6775 км. Его масса в 10 раз меньше земной, а ускорение свободного падения у поверхности такое же, как на Меркурии, или 38% земного. Средняя плотность Марса в 1,4 раза меньше, чем у Земли.

Из внешних планет Марс наиболее близок к Земле. Продолжительность его солнечных суток, для которых придумано особое название «сол» мало отличается от земных: 1Sol=24ч. 39,5мин. Каждые 780 дней Марс сближается с Землей на расстояние от 55 до 102 млн. км. Эти сближения называются противостояниями. Если расстояние при сближении не превышает 60 млн. км., противостояние называют великим. Диаметр диска Марса в это время достигает 25". Но с великими противостояниями часто совпадают глобальные пылевые бури, резко ухудшающие видимость. Разумеется, не сближения с Землей служат причиной пылевой бури. Дело в том, что великими противостояния становятся в том случае, когда Земля встречается с Марсом в районе перигелия его довольно эксцентричной орбиты; эта же причина увеличивает поток солнечного тепла, вызывающего песчаные бури. Большая полуось орбиты Марса составляет 228 млн. км., а из-за эксцентриситета (0,093) действительное расстояние до Солнца может быть больше или меньше на 21 млн. км. Из-за этого поток тепла, получаемого планетой от Солнца, в течение марсианского года изменяется в 1,45 раза.


Подобно другим планетам Марс обращается вокруг Солнца против хода часовой стрелки (и вращается в том же направлении), если смотреть с северного полюса эклиптики. Точка полюса мира для Марса находится примерно в 10° от звезды Денеб в созвездии Лебедя, через который проходит Млечный Путь. Поэтому его полоса служит своеобразной часовой стрелкой на небе, показывающей звездное время. Марсианский год продолжается 687 юлианских суток или 669 Sol (марсианских суток). Подобно земной, плоскость экватора Марса заметно наклонена к плоскости орбиты (25°, у Земли 23,4°). В сочетании с вытянутостью орбиты это приводит к неодинаковой длительности времен года в северном и южном полушариях планеты (лето в северном полушарии длится 177 сут., зима — 156 сут.; в южном, естественно, наоборот). Короткое лето в южном полушарии в среднем на 20°С теплее, чем продолжительное лето северного полушария.

На единицу поверхности Марса приходится в среднем только 43% от потока солнечной энергии, получаемой Землей. И хотя марсианская поверхность лучше поглощает излучение, чем земная, средняя температура верхнего слоя грунта на Марсе в полдень в период летнего солнцестояния на северном тропике обычно не превышает 250—260 К (от —10 до —20°С), а максимальная в 14 ч. достигает 268 К (около —5°С). Это знойный летний полдень по марсианским меркам. Лишь в районах с самой темной поверхностью в экваториальной части планеты тонкий верхний слой грунта может после полудня иметь температуру около 0°С или чуть выше.

Температура атмосферы Марса всегда останется низкой. Среднегодовая температура на широте тропика близка к 230 К (—43°С), а минимальная составляет 180 К (—90°С) и ниже. На широте 55° зимняя температура может падать до 150 К. Большие перепады температуры в течение суток связаны с разреженностью атмосферы Марса. Даже в тропиках уже на небольшой глубине грунта, около 25 см., температура близка к 215 К (—60°С), постоянна в течение суток и мало меняется с временами года. Средняя температура на планете также близка к этому значению. Самая низкая температура была зарегистрирована над зимней полярной шапкой. Минимальные температуры на Марсе не могут быть ниже 148 К: при этой температуре конденсируется углекислый газ атмосферы, что предотвращает дальнейшее понижение температуры. Если пренебречь этими минимальными значениями, то можно говорить о сходстве температуры на Марсе с зимней Антарктидой.

Оттенки от розового до кирпично-красного характерны для всей поверхности Марса. Лимб на снимках не совсем четкий, как и должно быть у планеты, имеющей атмосферу. Так же, как у Венеры, атмосфера Марса на 95% состоит из углекислого газа, но чрезвычайно разрежена. Среднее давление у поверхности составляет 6,1 мбар. Это в 15000 раз меньше, чем на Венере, и в 160 раз меньше, чем у поверхности Земли. Принятое ныне значение 6,1 мбар соответствует некоторой условной поверхности, так как для Марса такой удобной точки отсчета, как «уровень моря», не существует. В глубоких низинах давление достигает 10—12 мбар, а на некоторых горных вершинах менее 1 мбар. С высотой температура в атмосфере быстро падает. На высоте около 50 км., а зимой и ниже, она бывает настолько низкой, что начинает замерзать сам углекислый газ атмосферы. Голубые облака, наблюдаемые иногда в районе полюса и терминатора, состоят из кристаллов замерзшей углекислоты.

В атмосфере Марса содержится 2,5% азота, 1,6% аргона, 0,1—0,4% кислорода, угарный газ (0,06%) и малые количества благородных газов — неон, криптон, ксенон. Но главная составляющая, как уже говорилось, — углекислый газ (95%). Облака земного типа (из водяных капель) на Марсе бывают редко. Атмосфера очень сухая. В самых безводных районах Земли в атмосфере в сотни раз больше водяного пара. В среднем его концентрация в атмосфере Марса близка к 0,05%. Тем не менее, в низинах, таких, как глубокий каньон долины Маринера, часто наблюдается туман.

В январе 1972 г. случай представил первым земным зондам исключительную возможность детально исследовать пылевую бурю на Марсе. Оказалось, что она бушует 50—100 сут. Верхняя граница пылевых облаков проходит на уровне 7—15 км. над поверхностью планеты, а средние размеры частиц составляли 1—10 мкм. в начале бури и около 1 мкм. в ее конце. Было подсчитано, что разреженная атмосфера Марса в бурю поднимает и удерживает количество пыли, превышающее 1 млрд. т. Наблюдения показали, что активная фаза бури развивалась несколько раз.

Одно из интересных явлений, связанных с бурей, это «антипарниковый» эффект. В отличие от Венеры и Земли марсианские пылевые облака непрозрачны для приходящего и прозрачны для уходящего излучений, что вызывает выстуживание поверхности планеты. Поэтому во время глобальной пылевой бури температура поверхности падает, а атмосфера быстро разогревается.


Рельеф равнин планеты

На рис., представляющем полушарие Марса с долготой центра 0°, видны каньон Долины Маринера и три гигантские горы (древние вулканы) в светлой области Фарсида. Небольшая область со сложным рельефом вверху, над каньоном — Лунное плато, справа от него — земля Ксанфа, и над нею — равнина Хриса. На их границе в 1976 г. совершил посадку «Викинг-1». От Лунного плато к югу тянется извилистая линия одного из «каналов» — это борозды Сакра, которые оканчиваются каньоном Гебы. Южная часть планеты в тени, там зима.


Размеры каньона долины Маринера поражают воображение. На Земле нет ничего, даже отдаленно на него похожего по своим масштабам. Голова каньона расположена в лабиринте Ночи (центр 8°ю.ш., 97°з.д.). Дальше каньон проходит к востоку между 4° и 18°ю.ш. примерно до 35°з.д., где отклоняется к северу. Общая длина каньона достигает 4,5 тыс. км. Знаменитый Большой каньон в Аризоне (Сев. Америка) целиком уместился бы в одном из его второстепенных оврагов этого марсианского каньона. Его ширина превышает 100 км., глубина в среднем 2—3 км., а в некоторых частях заметно больше.


Рис. Долина Маринера.


Большинство кратеров на поверхности Марса образовалось в эпоху интенсивной метеоритной бомбардировки, примерно 3,5—4 млрд. лет назад. Значительная их часть сохранилась очень хорошо. Примерно от 40°з.д. и далеко к востоку тянется область, наиболее густо покрытая метеоритными кратерами всевозможных размеров. Она простирается от 50°с.ш. и почти до самого южного полюса, причем к востоку граница ее постепенно спускается от 50°с ш. до экватора (у 220°з.д.). Эта граница — раздел между лавовыми полями, которыми покрыта значительная часть северного полушария планеты, и материковыми районами южного. От 220°з.д. и далее к востоку граница проходит примерно на уровне 10°ю.ш. почти до 130—140°з.д.


Типичный метеоритный кратер Скиапарелли диаметром 470 км. (центр у 3°ю.ш., 343°з.д.), можно видеть в центре карты. Кратеры заполняют обширные равнины и низменности. Одна из них — это равнина Аргир, диаметром около 900 км, с центром у 50°ю.ш., 42°з.д. Это типичное кратерное море, каких много на Луне. На восточной оконечности равнины Аргир расположен кратер Галле, диаметром около 100 км. (центр 51°ю.ш., 31°з.д.). Другая равнина — глубокая впадина Эллада, протяженностью от 1600 до 2000 км. (центр 45°ю.ш., 290°з.д.). На долготе Эллады, но к северу от экватора (от 0° до 30°с.ш.), находится очень темная область Большой Сирт. Если светлые области отражают до 30% падающего света, то Большой Сирт — только 8—10%. Слева от Большого Сирта — земля Аравия, ниже — крупный кратер Гюйгенс с темным дном.


Рис. Кратер Гюйгенс.


Структура у многих марсианских кратеров такая же, как у лунных. У них есть кольцевой вал, иногда центральная горка. Однако из-за большей силы тяжести диаметр кратеров, образованных одинаковыми метеоритами, получается примерно вдвое меньше лунных. Количество кратеров на единицу площади больше, чем на Луне. В этом сказалась близость Марса к поясу астероидов, «пришельцы» из которого обеспечивали интенсивную метеоритную бомбардировку. Иногда метеоритные кратеры на Марсе образуются и в наши дни. Грунт Марса очень сыпучий, и как ни мала ветровая эрозия деталей рельефа, все-таки валы кратеров постепенно разрушаются. Вместе с тем, местами можно видеть свежие кратеры, возраст которых вряд ли превышает несколько миллионов лет.

В формировании рельефа Марса различаются много периодов, которые значительно перекрывались. Наиболее характерные виды рельефа Марса — это обширные кратерированные области, пустынные равнины, вулканические зоны и, наконец, районы особого рельефа, которые не укладываются в одну группу.

Хотя некоторые естественные образования на Марсе тянутся на большие расстояния, 2000 км. и более, но «каналов», которые отмечали астрономы прошлого, на Марсе нет. Истоки великого спора о каналах лежат в природе человеческого глаза. Он особенно чувствителен к линейным структурам. Если ряд плохо различимых точек находится примерно на одной (прямой или кривой) линии, то они воспринимаются как сплошная линия. Для таких объектов острота зрения в 10—20 раз превосходит «положенную» человеку 1'. Не у всех людей эта способность видеть линии вместо плохо различимых точек одинакова. Поэтому Ловелл совершенно честно утверждал, что видит каналы, а скажем Холл (который сумел открыть очень маленькие луны Марса), столь же искренне их не видел. Именно такими цепочками случайных пятен и оказались марсианские «каналы». Кстати, после того, как в 1940-х гг. наблюдения Марса начали проводить в прекрасных условиях видимости на высокогорной обсерватории Пик-дю-Миди, опытные астрономы О. Дольфюс и др. не замечали каналов.


Спящие вулканы и лавовые поля равнин

К северо-западу от долин Маринера находится страна гигантских вулканов Фарсида с центром у 0°, 110°з.д. Три вулканических конуса и лежащая к северо-западу от них гора Олимп — высочайшие вершины на планетах группы Земли. С запада и с северо-запада страна Фарсида окаймлена двумя равнинами — Амазония и Аркадия. Вулканические сооружения меньших размеров встречаются и немного западнее, в области Элизия.

Когда в 1971 г. первые искусственные спутники Марса вышли на орбиты, лишь четыре темных пятна постоянно присутствовали над хаосом пылевых облаков. Этими пятнами оказались гигантские вулканические вершины — гора Олимп и три вулканических конуса в области Фарсида — гора Аскрийская, гора Павлина и гора Арсия, превышающие по высоте 20 км. Они образуют почти правильный треугольник с вершинами в точках 9°ю.ш., 120°з.д.; 18°с.ш., 134°з.д. и 11°с.ш., 114°з.д. Эти давно недействующие вулканы представляют собой самые высокие известные горы. На Земле нет ничего похожего. На всех вершинах имеются вулканические кальдеры гигантских размеров. Например, на вершине горы Арсия, самой южной из них, кальдера диаметром 130 км. Возраст ее несколько сотен миллионов лет.


Самый высокий из четырех вулканов — гора Олимп, 27400 м. от подножья (наш Эверест всего 8850 м.). Гора Олимп — щитовой вулкан. При извержениях таких вулканов лава растекается на большие расстояния. Склоны горы Олимп очень пологие, а диаметр основания достигает 600 км. На склонах видны бесчисленные застывшие потоки. Лава изливалась через находящуюся на вершине кальдеру поперечником около 70 км.

Согласно мифам, на белой вершине Олимпа обитали боги. Неясное светлое образование округлой формы на диске Марса астрономы назвали Снегами Олимпа (Nix Olympica). Название оказалось пророческим: по удивительному совпадению белое пятно оказалось 1000-км. кольцом облаков, часто опоясывающим высочайший вулканический конус, носящий теперь имя Olympus Mons (гора Олимп). Вулканы существуют и в других районах Марса. Но пока среди них не найдено ни одного действующего.

Вся группа вулканов начала извергаться около 1,5 млрд. лет назад. Точнее их возраст можно было бы определить по метеоритной датировке, т.е., по количеству метеоритных кратеров на склонах. К сожалению, нынешняя интенсивность выпадения метеоритов на Марсе известна неточно, и пока нельзя применить этот метод датировки.

Обширные равнины Марса, лишенные кратеров (есть и такие), покрыты, подобно лунным морям, толстым слоем пепла и застывшей лавы. Тучи пепла выбрасывали вулканы, а ветер разносил их по планете. Следы ветровой эрозии заметны во многих районах Марса.

С ветрами связаны темные пятна на дне некоторых кратеров или вблизи них. После очередной бури появляются новые пятна, а прежние становятся менее заметными. Одно и то же пятно может быть как темным, так и светлым, в зависимости от положения Солнца и наблюдателя. Ясно, что это игра света и тени. Такое свойство имеют периодические гряды песчаных дюн — пустынные барханы, наметаемые ветром. Часто они образуются на дне неглубоких кратеров, где нарушается однородность воздушного потока.

Плотность газа у поверхности Марса всего 16 г/м3 (на Земле 1 кг/м3), но скорости марсианских ветров весьма велики, поэтому ветер постепенно сдвигает горы песка. Темные и светлые полосы проходят вдоль плоскогорий и тянутся на расстояние до 500 км. в направлении господствующих ветров. Подавляющая часть поверхности Марса представляет мелкий красный песок, из которого выступают бесчисленные камни. Размер песчинок очень мал: от 1 до 50 мкм. В начале пылевой бури ветры легко поднимают такие песчинки. В сухом марсианском климате частицы грунта слабо сцеплены друг с другом, поэтому под действием ветра песок легко «стекает» даже с пологих склонов.

Естественная окраска поверхности Марса определяется присутствием гидратов окислов железа, образующих слой красной пудры на зернах силикатного песка — основной составляющей поверхности. Примесь гидратов железа составляет до 10%. Не исключено, что в районах более темной поверхности и эоловых полос имеются примеси других пород, возможно ферросиликатов.


Каньоны и древние реки Марса

Самый большой каньон на Марсе — долины Маринера, протяженностью 4500 км. и глубиной до 5—7 км. На его дне атмосферное давление достигает 12 мбар. Ширина отдельных долин также очень велика и доходит до 150 км. и более. По сторонам имеется развитая система «притоков» — оврагов. Западная оконечность долин переходит в лабиринт Ночи — разветвленную систему провалов. Каждый из них достигает 30 км. в ширину, а их система охватывает обширный район планеты. Геологический процесс, благодаря которому образовался лабиринт Ночи, как-то связан с подпочвенными явлениями, возможно, с таянием вечной мерзлоты. Сам каньон образовался в тектонических процессах, которые в дальнейшем, по-видимому, прекратились.


Рис. Лабиринт Ночи.


Для планетологов глубокий каньон — это возможность заглянуть в прошлое планеты. Исследование снимков склонов каньона позволило установить несколько эпох в образовании поверхности планеты. Здесь видны слои пыли, лавы и вулканического пепла, причем общая толщина слоя реголита (грунта, переработанного в древности многократными метеоритными ударами) достигает 2 км. Это могут быть древние вулканические пеплы или даже сухое дно древнего водохранилища.

Период формирования каньона начался около 3 млрд. лет назад. Каньон примерно на миллиард лет старше вулканов Фарсиды. Долины Маринера на Марсе, по-видимому, никогда не были полностью заполнены водой: на планете слишком мало воды. Более того, сейчас на большей части поверхности Марса вода вообще не может существовать в жидком виде: при давлении 6,1 мбар она кипит при температуре 2°С; парциальное давление самого водяного пара намного ниже. Поэтому вода в открытом сосуде там отчасти выкипит, отчасти замерзнет. Давление 6,09 мбар называется критическим и соответствует тройной точке воды: при более низком давлении чистая жидкая вода существовать не может, а возможны только два ее агрегатных состояния — пар и лед. Именно поэтому за уровенную поверхность Марса принята высота, на которой атмосферное давление равно 6,1 мбар. На уровне среднего радиуса Марса среднее атмосферное давление равно 6,36 мбар при сезонных вариациях от 4,0 до 8,7 мбар.

Водяного пара в атмосфере Марса очень мало. Белые конденсационные облака, которые иногда наблюдаются над горными вершинами, очень разреженные. Толщина условно осажденного слоя воды из атмосферы составляет всего 0,02—0,07 мм. даже вблизи тающей полярной шапки в разгар лета (в земной атмосфере слой воды почти в тысячу раз больше, 10—20 мм.). По мере удаления от тающей полярной шапки количество пара в атмосфере уменьшается до нескольких микрометров.

Тем не менее, по крайней мере некоторые детали марсианского рельефа обязаны своим происхождением потокам воды. На рис. видно извилистое русло древней марсианской реки Нергал с притоками. Его длина достигает 400 км. В долине Нергала давно нет воды. По-видимому, река впадала в огромное водохранилище, образованное широкой низменностью в районе каньона Узбой и цепи кратеров Холден-Хейл. Извилистая форма Нергала напоминает русла земных рек. Были обнаружены и другие многочисленные долины такой же природы. Их изучение показало, что обмеление рек происходило постепенно. Широкие потоки с течением времени превращались в небольшие речки, а затем в узкие ручьи.


Рис. Долина Нергала.


Интересно отметить, что в пору наводнений на Марсе, похоже, не было сильных дождей. Исследование форм кратеров, находящихся поблизости от протоков и промоин, показывает, что если они и разрушались, то только текущей по поверхности водой, а не ливнями.

С прошлым существованием воды на Марсе связана структура многочисленных иссеченных районов (например, равнина Хриса, где опустился «Викинг-1») и широкие, до 80 км., долины. Можно сделать вывод, что очень давно на Марсе существовали реки и озера, было более высокое давление атмосферы и значительно более высокая температура, поскольку водно-эрозионные образования встречаются в очень высоких широтах.

Космические зонды установили многие особенности атмосферы планеты. Оказалось, что температура зимней полярной шапки практически совпадает с температурой конденсации углекислого газа при низком марсианском давлении: 148 К. С наступлением зимних холодов атмосфера в районе полярных шапок конденсируется и выпадает в виде снега из СО2. «Шапка» охватывает огромные площади, достигая широт 55° и ниже. Толщина покрова на поверхности невелика и составляет, вероятно, единицы сантиметров. Поэтому с наступлением весны шапка быстро тает и съеживается. Но уменьшившись до размера центрального ядра, шапка перестает сокращаться. Для северной полярной шапки радиус ядра составляет 500—700 км. Здесь мы видим многочисленные слои обычного льда вперемешку с напластованиями пыли и льда из СО2. Полная толщина этого огромного естественного хранилища водяного льда может достигать километра.


Природа северной и южной полярных шапок неодинакова. Северная шапка больше по размеру и состоит, главным образом, из водяного льда, а южная в основном из замерзшего углекислого газа. Причина этого в различии средней сезонной температуры и продолжительности сезонов в северном и южном полушариях.


Особенности движения Марса

Сезонные явления определяются тем: как в течение года изменяется поток солнечного тепла на планету в целом и как он перераспределяется между ее частями. Первое обстоятельство зависит от эксцентриситета орбиты; второе — от ориентации оси вращения планеты по отношению к ее орбитальной плоскости и перигелию (если эксцентриситет велик).

Положение полярной оси Марса не остается постоянным: под влиянием солнечного притяжения, действующего на экваториальное вздутие планеты, ось Марса прецессирует с периодом около 173000 лет. У Земли этот период около 26000 лет, поскольку вместе с более близким Солнцем на нее еще вдвое сильнее действует Луна. Так что в смысле прецесси оси вращения Марс спокойнее Земли.

Однако плоскость орбиты Марса испытывает значительно большие возмущения, чем плоскость земной орбиты. В основном под влиянием Юпитера она изменяет свой наклон с периодом около 1,2 млн. лет и прецессирует с периодом около 70000 лет. Это приводит к тому, что наклон оси вращения Марса к плоскости его орбиты испытывает колебания с периодом около 120 тыс. лет, изменяясь в пределах от 13° до 42°, т.е. на ±15° от среднего положения i=28°. Для сравнения укажем, что наклон земной оси к ее орбите колеблется всего на ±1°.

Форма орбиты Марса также непостоянна: под влиянием планетных возмущений эксцентриситет меняется от 0,0 до 0,12. Вместе с очень сильным изменением наклона оси к орбите это должно вызывать контрастную смену климата с характерным временем 105 лет. Быть может именно в этом причина периодической структуры полярных шапок Марса, напоминающей годовые кольца деревьев. Заметим, однако, что максимальный наклон оси вращения Марса (42°) остается в пределах того диапазона (0°—60°), который обеспечивает минимальную среднегодовую инсоляцию на полюсах вращения планеты. Только в том случае, если ось наклонена на угол более 60°, среднегодовой поток солнечного тепла на полюса превышает этот поток на экваториальные точки планеты.


Потери воды в первую половину истории Марса

Примерно 3 млрд. лет назад разогрев коры планеты под действием эндогенных источников тепла (распад радиоактивных элементов и уплотнение ядра планеты) стал достаточно заметным. Именно в эту пору, по-видимому, кое-где начал таять подпочвенный лед. Одним источником водяного пара на планете была вода, выделявшаяся вулканами и заполнявшая водоемы на поверхности, другим — таяние подпочвенной мерзлоты из-за разогрева коры планеты. По данным об изотопном составе азота и некоторым другим сведениям было найдено, что максимальное давление у поверхности планеты могло достигать 1—3 бар. (на Земле сейчас 1 бар.). При таком давлении возникает сильный парниковый эффект и тает не только лед из углекислого газа, но и часть водяной полярной шапки.

Как только на поверхности появилась вода, давление углекислого газа стало быстро падать, поскольку он хорошо растворяется в воде. Уходящие в подгрунтовые резервуары реки уносили его с собой, где он, скорее всего, выпадал в осадок в составе карбонатов. Одновременно происходила катастрофическая потеря водорода из атмосферы. Молекулы водяного пара диссоциировали под действием ультрафиолетового излучения Солнца, а водород ускользал в космическое пространство. Относительно небольшие запасы воды на поверхности планеты были исчерпаны, парниковый эффект уменьшился, температура понизилась, значительная часть подпочвенной воды перешла в состояние вечной мерзлоты, а какое-то количество ее оказалось химически связанным.

Вместе с вечной мерзлотой снова появились полярные шапки, которые стали ловушками для остатков водяного пара в атмосфере. Если предположить, что потери водорода шли с той же скоростью, что и теперь, потерянная вода могла бы составить слой толщиной в 100 м., а по некоторым оценкам и больше.

Проведенная в конце 1990-х гг. съемка рельефа планеты с аппарата «Марс Глобал Сервейер» показала, что на территории Великой Северной Равнины можно выделить протяженную береговую линию, находящуюся на одном горизонтальном уровне. По-видимому, она окаймляла Северный океан Марса. Удалось проследить, как постепенно береговая линия сокращалась, а океан отступал, разделившись на две части. Возможно, океан был причиной того, что северный полярный район сейчас примерно на 4 км. ниже южного.

Признаки высокой активности планеты приходятся на очень далекие времена, главным образом на первую половину истории Марса. К этому времени относятся грандиозные пирокластические извержения, засыпавшие пеплом едва ли не половину поверхности планеты, плотная теплая атмосфера, реки, крупнее земных, образование огромных каньонов и феерия вулканов в стране Фарсида.


Новые гипотезы о природе полярных районов

Образование полярных слоистых отложений связано с очень низкой зимней температурой в районах полюсов, ниже температуры конденсации и водяного пара, и углекислого газа. Роль центров конденсации играют мельчайшие пылинки, взвешенные в атмосфере и ответственные за розовый цвет неба Марса. На них нарастает слой инея, пылинка утяжеляется и выпадает на поверхность. Таков необычный путь конденсации ничтожных количеств влаги, присутствующей в атмосфере. За сезон выпадает один слой частиц, однако он вряд ли отличим от предыдущего и последующего. Слои, которые видны на рис., отмечают более крупные климатические изменения. Слоистые отложения уходят на большую глубину под полярными шапками, вероятно, на 1—2 км. вблизи южной и на 4—6 км. у северной полярной шапки.

В экваториальном поясе известно несколько районов, по природе похожих на полярные отложения, но меньшей толщины. Протяженность каждого из них около 1000 км. Таковы, например, экваториальные слоистые отложения в районе 4°ю.ш., 156°з.д. Есть основания считать, что они действительно возникли в полярном районе и что процесс их таяния растянулся на несколько сотен миллионов или даже миллиард лет, вплоть до наших дней. По мере сублимации льда и уноса ветром пылевых частиц из-под отложений появляется неповрежденный древний кратерный рельеф. Такие же отложения, наполовину скрывающие рельеф «дна», находятся у 73°ю.ш., 215°з.д., в районе северной полярной шапки.

Первые предположения о том, каким образом полярные отложения могли оказаться вблизи экватора, возникли, когда было обнаружено, что району слоистых отложений в экваториальной зоне соответствует похожий участок на диаметрально противоположной стороне планеты. Возникла гипотеза о миграции полюсов. Она хорошо объясняла наблюдаемые факты, но требовала настолько большого смещения полюсов, что объяснить его колебаниями полярной оси было бы невозможно.

Наиболее вероятная причина смещения полюсов лежит в перераспределении масс в мантии планеты (или даже в ее коре). Если вновь возникшие наиболее плотные части мантии (масконы) находятся достаточно далеко от экватора, нарушается устойчивость вращения, и в результате вся кора Марса, которая представляет собой как бы единую плиту, стремится сместиться таким образом, чтобы маскон переместился к экватору. Положение оси вращения планеты в пространстве при этом не изменяется. Разумеется, несбалансированная масса не обязательно должна быть масконом у поверхности, это может быть и какая-то масса в глубине планеты или заполняемые лавой огромные кратерные моря.

Выявлению движений коры, происходивших в истории Марса, способствуют хорошо сохранившиеся древние районы с возрастом почти 4 млрд. лет. Путь полярных районов за длительное время похож на грандиозную подкову. Северный полюс побывал вблизи северо-западной окраины массива Олимп, в точке 45°с.ш., 160°з.д., затем подолгу оставался в трех районах сегодняшнего экватора и оставил там много полярных слоистых отложений. Одно из смещений, последнее по времени, совпадает с периодом мощных вулканических извержений в районах горы Олимп и Фарсиды. Предполагается, что одной из причин смещения как раз и была вулканическая активность и связанный с нею перенос масс.

С такими смещениями связано направление некоторых следов на поверхности планеты. На снимках Марса выделены необычные кратеры удлиненной формы с боковыми выбросами, напоминающими крылья бабочки. Много лет думали, что удар метеорита под любым углом к поверхности приводит к появлению кратеров только круглой формы. Но оказалось, что есть исключение: если тело падает под углом менее 5° к поверхности, получается удлиненный кратер. Вероятность такой траектории для обычных метеоритов, подлетающих к планете с любого направления, очень мала. Действительно, на Луне таких кратеров примерно 0,5%. Вероятное количество касательных падений было рассчитано и для Марса, но удлиненных кратеров оказалось намного больше. Причем эти кратеры там довольно крупные, так что породившие их тела должны быть достаточно массивными.

Далее было найдено, что удлиненные кратеры примерно одной возрастной группы ориентированы своей осью в одинаковом направлении. Чтобы объяснить это, предложили интересную гипотезу: кратеры образованы обломками некогда существовавших, но теперь упавших спутников Марса. Каждая группа обломков от одного разрушенного спутника выпадала на поверхность Марса по дуге большого круга при определенном положении полярной оси. По направлению цепочек удлиненных кратеров удалось восстановить примерное положение полярной оси относительно поверхности в разные эпохи, и эти положения совпали с теми результатами, которые получены по мерзлотным отложениям

Целый ряд явлений на Марсе, по-видимому, можно объяснить этими гипотезами. Например, долины, оставшияся от древних марсианских рек, которые ныне находятся вблизи полюса, передвинулись туда из экваториального района. Мерзлотные отложения возникли в полярном районе, а у экватора оказались много позднее. Холмы слоистых отложений на днищах некоторых кратеров вблизи экватора — также остатки древних полярных отложений, из-под которых теперь появился еще более древний рельеф. Наконец, находит объяснение молодость нынешних полярных районов.

Путь полюсов Земли ученые находят методами палеомагнитного анализа: породы, которые образовались в зонах срединноокеанических рифтов (и вообще в извержениях), несут как бы «застывшее» направление магнитного поля. В 1990-х гг. обнаружили нечто подобное и на Марсе, где палеомагнитные поля образуют узкие длинные полосы. Современное магнитное поле Марса представляет собой суммарный эффект этих полос; оно очень слабое и составляет на экваторе от 0,07 до 0,8 мкТл (на Земле около 30 мкТл).


Автоматические станции на поверхности Марса

20 июля 1976 г. в северо-западной части равнины Хриса (22,4°с.ш. и 47,5°з.д.) совершил успешную посадку «Викинг-1», впервые на поверхности Марса стала работать автоматическая станция. Два зонда «Викинг» были первыми в США для посадки на другую планету (не считая Луны). Главной их задачей был поиск жизни на Марсе. В это же время орбитальные блоки «Викингов» изучали планету сверху.

При посадке опоры «Викинга-1» углубились в рыхлый грунт. Сразу же аппарат передал изображение грунта под опорами и вблизи них. Это была предосторожность: если бы аппарат начал понемногу тонуть в зыбучих песках, об этом узнали бы на Земле. Но все обошлось благополучно. В тот же день «Викинг-1» передал панорамное изображение окружающей местности. Поверхность Марса оказалась примерно такой, как ожидалось: пыльная пустынная местность, обильно усеянная камнями. Ландшафт напоминает некоторые пустыни на Земле. Песчаные дюны и барханы вытянуты примерно по диагонали из левого верхнего угла панорамы и указывают направление сильных ветров (перпендикулярное гребням дюн). Правая сторона панорамы — юго-восток. В центре находится штанга метеокомплекса. Большой валун в левой, северо-западной части панорамы имеет длину 2 м. и высоту над песком 1 м. Сверху валун покрыт песчаной шапкой, нанесенной ветром.


Линия горизонта на панораме рис. неровная. Ее неправильность, а также некоторые особенности рельефа, например, широкое углубление на первом плане в правой части панорамы, позволили предположить, что «Викинг-1» сел в небольшой кратер, а линия горизонта — это вал кратера. Размер наибольшей каменной глыбы на горизонте составляет 140 м.

Через полтора месяца после посадки «Викинга-1», 6 сентября 1976 г. на равнину Утопия в точке 47,9°с.ш. и 225,9°з.д. опустился «Викинг-2». Расстояние между станциями составило 6500 км. Они опустились в диаметрально противоположных часовых поясах, но местность в обоих случаях похожа: пустыня, покрытая ржаво-красным песком и обильно усеянная камнями с крупными порами, характерными для вулканических изверженных пород. Размер камней вблизи аппарата 5—20 см, а вдали достигает нескольких метров. Каменистая равнина в месте посадки «Викинга-2» уходит до самого горизонта, образующего, в отличие от «Викинга-1», ровную линию.

После посадки «Викинга-1» предстояло выяснить, насколько велика реальная опасность песчаных заносов. Ряд повторных изображений, переданных в последующие дни, показал, что перемещение песка под действием ветра незаметно. Пылевой бури не было; скорость ветра не превышала 7 м/с. Примерно одинаковые скорости ветра в обоих местах указывали на спокойное состояние атмосферы. Направление ветра в районах посадки «Викингов» имело суточную зависимость. В Утопии ветер дул утром с юго-востока, в полдень с северо-запада и в полночь с северо-востока.

Максимальные дневные температуры воздуха в районе посадки «Викинга-1» оказались ниже того, что ожидалось для летнего солнцестояния и в самом разгаре лета не превышали — —20°С. Наибольшая температура грунта оказалась градусов на 15 выше. Ночью температура падала до —86°С. Атмосферное давление было 7,5—7,7 мбар. По-видимому, «Викинг-1» опустился в пониженном районе. Метеорологическая обстановка оставалась спокойной довольно долго.

Станции работали долго и собрали много научных данных. Орбитальные аппараты функционировали до июля 1978 г. («Викинг-2») и августа 1980 г. («Викинг-1»), передав тысячи детальных изображений Марса. А на поверхности «Викинг-2» функционировал до апреля 1980 г., а «Викинг-1» проработал аж до 13 ноября 1982 г. Источниками электроэнергии у них служили термоэлементы, нагреваемые радиоактивными изотопами. Их мощность с годами упала. Таким образом, марсианская экспедиция «Викингов» продолжалась 6,4 земного года или 3,4 марсианского года.

Изображения местности вокруг аппарата «Викинг-2», переданные осенью 1977 г., когда по марсианскому календарю на равнине Утопия начиналась зима, показали, что в тени камней видны небольшие горки снега. Но метеоприборы сообщали о температурах хотя и низких, но все же явно недостаточных для образования снега из углекислого газа. Вместе с тем, ничтожное количество водяного пара вблизи осенней полярной шапки заставляет сомневаться в том, что это обычный иней или снег. Окончательного ответа нет.

Измерения показали, что в грунте Марса очень много железа, 12—14%. Много также кремния (до 20%). Присутствуют кальций (около 4%), алюминий (2—4%), магний (около 5%), титан. Необычно много в грунте серы, 3%. Высокое содержание железа в грунте — это наиболее серьезное свидетельство того, что гравитационная дифференциация (опускание тяжелых элементов и пород к ядру планеты) у Марса затянулась и выражена значительно слабее, чем у Земли. Этот процесс отражается на безразмерном моменте инерции. Если у Земли он равен 0,33, что соответствует радиусу ядра 0,57 радиуса планеты, то для Марса отличие от 0,4 (однородность) значительно меньше: 0,37. Это указывает, что ядро Марса совсем маленькое. В нем сосредоточено не более 5—9% массы планеты. К тому же, у Марса не только малое по сравнению с земным ядро, но и очень толстая литосфера.


Вновь на Марсе

Спустя 21 год после «Викингов», 4 июля 1997 г., в северо-восточной части земли Ксанфа, в районе долины Ареса, в точке 19,33°с.ш., 33,55°з.д. опустился аппарат «Пасфайндер». Аппарат состоял из посадочного модуля и небольшого автономного шестиколесного марсохода «Соджорнер» массой всего 10,6 кг. Его связь с Землей происходила через посадочный модуль.

На рис. представлен один из снимков поверхности Марса, сделанный аппаратом «Пасфайндер». Цвет неба — розовый; это цвет мельчайшей пыли, выносимой в атмосферу пылевыми бурями и остающейся там подолгу. Например, силикатная частица радиусом 1 мкм. при условии движения в совершенно спокойной атмосфере будет падать с высоты 10 км. в течение нескольких сотен марсианских суток. Красный цвет песка планеты — это следствие высокого содержания гидроокисей железа в грунте.


Изображение окрестностей района посадки «Пасфайндера» очень похоже на снимки «Викингов». Поверхность — все тот же ржаво-красный песок с многочисленными камнями и полосами наметенного песка. Станция села в долине, которая когда-то, возможно, была обширным водным резервуаром. Марсоход «Соджорнер» был оснащен специальным прибором, который можно было направлять на камни и другие образования на поверхности, чтобы определять их химический и, косвенно, минеральный состав. Исследование первого же камня показало, что по своей геологической истории он гораздо ближе к породам Земли, чем Луны. По-видимому, почти на 1/3 он состоит из кварца (которого на Луне нет); его история, возможно, включает многократные расплавления при излияниях лавы и затвердевания. По составу он отнесен к андезитам, второй по распространенности на Земле вулканической породе.

В месте посадки лето было в разгаре. Метеостанция «Пасфайндера» сообщала о погоде. Максимальная дневная температура в течение трех дней была от —13 до —18°С, минимальная в ранние утренние часы падала до —76°С. Давление 6,75 мбар, ветер 3 м/с и меняется по направлению в течение суток. За два десятилетия до этого на «Викинге-1» температура немного отличалась, но это скорее связано с высотой места. Небо было чистое; пыли в атмосфере было не больше, чем над земными городами.


Большой марсианский десант

В конце августа 2003 г. произошло великое противостояние Марса. Более того — величайшее, ибо столь тесного сближения наших планет еще не было на памяти человечества. В эпоху космических полетов великие противостояния не играют уже той роли, какую они играли в прошлые столетия для астрономов, изучающих Марс с поверхности Земли. Но по стечению обстоятельств именно в этом году на Марс отправилась первая полноценная геологическая экспедиция в составе двух автономных марсоходов — «Спирит» и «Оппортьюнити». Уже четыре земных года они работают в разных полушариях планеты, пройдя десятки километров и передавая важные данные о свойствах марсианской поверхности.

В это же время поверхность Марса и даже свойства его неглубоких подповерхностных слоев исследуют с орбиты «Марс Глобал Сервейер», «Марс Одиссей», «Марс Экспресс» и «Марс Риконисэнс Орбитер». Полученные ими данные все более уверенно свидетельствуют не только о древних потоках воды, но и о современных залежах вечной мерзлоты, и даже о следах небольших течений в нашу эпоху.


Поиск жизни на Марсе

Одной из основных задач в исследовании Марса считается поиск жизни. В недалеком прошлом высказывались мнения, что некоторые наблюдаемые на Марсе явления можно объяснить существованием растительности. Одно из таких явлений — «волна потемнения», активно изучалось сторонниками «органической» гипотезы. Многие астрономы сообщали, что каждые полгода по марсианскому календарю с началом весны в одном из полушарий Марса вокруг тающей полярной шапки появляется темная окантовка. Постепенно она распространяется к экватору со средней скоростью около 30 км. в сутки. Достигнув экватора, волна переходит через него. Спустя полгода такая же волна движется от другого полюса. Это явление наблюдается более или менее регулярно. Области высоких широт, по которым прошла волна, затем снова светлеют.

Сторонники «органической» гипотезы указывали, что таким свойством обладает растительность: в условиях очень сухой марсианской атмосферы вегетационный период в развитии растительности должен быть приурочен именно к весне, когда при таянии шапки в атмосфере появляется влага. Ее постепенное распространение к экватору вызывает волну вегетации (листики распускаются), считали сторонники «органической» гипотезы.

Предлагались и другие, «неорганические» гипотезы о природе волны потемнения. Они связывают темные области с эоловыми процессами — переносом пыли регулярными ветрами. Предполагали также, что темную пыль выбрасывают вулканы, а местные ветры разносят ее, образуя характерные полосы, направленные от вулкана. В отношении переноса пыли гипотеза блестяще подтвердилась, но пока на Марсе не найдено ни одного действующего вулкана.

Другая неорганическая гипотеза объясняет волны потемнения увлажнением каких-то гигроскопических веществ на поверхности. Однако попытки подобрать такие вещества, которые изменяли бы оттенки под действием ничтожных количеств влаги, убедительного результата не дали.

Вместе с тем, было доказано, что микроорганизмы, похожие на земные, вполне могли бы жить на Марсе. Поиск микроорганизмов стал основной задачей «Викингов». Портативные автоматизированные химические лаборатории обоих аппаратов произвели эксперименты и подробный анализ с тем, чтобы узнать, есть ли в грунте Марса микроорганизмы. Для этого было подготовлено несколько специальных исследований.

В герметически закрытой камере атмосфера над пробой грунта содержала, как и марсианская, углекислый газ, но часть атомов углерода-12 в нем была замещена на радиоактивный изотоп углерод-14. Пробу грунта освещали светом, подобным солнечному. Земные микроорганизмы и растения в этих условиях энергично поглощают углекислый газ. Затем пробу грунта нагревали, органические вещества разлагались, а приборы должны были обнаружить усвоенный радиоактивный углерод, что доказывало бы использование микроорганизмами фотосинтеза. На Земле этот эксперимент действовал безотказно. Но на Марсе ответ был неопределенным; радиоактивный углерод иногда регистрировался, иногда нет.

Во втором приборе использовали тот же принцип, но в отношении газовой среды: гипотетические обитатели грунта подкармливались радиоактивными питательными веществами; в результате метаболизма (обмена веществ с окружающей средой) они должны были выделить меченый углекислый газ. Результаты этого эксперимента можно было считать положительными, хотя и очень непохожими на то, что ожидалось.

Еще меньше были похожи на земные результаты третьего эксперимента, где грунт помещали в камеру с точно известной атмосферой и вводили в него питательную смесь. В результате жизнедеятельности микроорганизмов в камере должен был измениться состав газа. Нормальное проведение эксперимента на Земле занимало две недели. Но на Марсе из грунта сразу же выделялись углекислый газ и кислород, а все реакции завершились за двое суток. Результаты можно было объяснить необычными химическими свойствами марсианского грунта — присутствием в нем некоторых перекисей. При смачивании водой такой состав дает сильное газовыделение. По-видимому, грунт Марса очень едкий. Большую роль в этом, вероятно, играет ультрафиолетовое излучение Солнца, облучающее грунт. Оно проникает до самой поверхности планеты и было бы в состоянии уничтожить большинство земных микроорганизмов, если их поместить на поверхность Марса. Поэтому поиск марсианских микроорганизмов, как предполагалось, следовало бы вести в верхнем слое грунта, но не на самой поверхности. Для этого с помощью манипулятора удалось даже убрать камень и взять из-под него пробу. Но все реакции неизменно протекали столь же необычно, как и раньше.

Наиболее тяжелый удар по надеждам встретить микрофлору на Марсе нанес газовый хроматограф, соединенный с масс-спектрометром. В нем образец грунта нагревался, а выходящие из него газовые продукты разложения анализировались. Был исследован ряд образцов марсианского грунта, взятых с глубины от 4 до 6 см. Зарегистрировано выделение сравнительно больших количеств кислорода, водяного пара и углекислого газа. Но никаких органических соединений не отмечено, хотя чувствительность прибора к примесям достигала одной десятимиллиардной доли. Тот же прибор в образце антарктического грунта массой всего 0,1 г. обнаружил более двадцати органических соединений.

Любая известная форма жизни при разложении выделяет органические летучие вещества. Поэтому можно сделать вывод, что либо количество микроорганизмов в местах посадки «Викингов» было ничтожно мало, либо их вообще нет на планете, хотя объяснить это трудно. Многие земные микроорганизмы смогли бы приспособиться к обитанию в верхнем слое марсианского грунта. В любом случае, «Викинги» были хорошим экспериментом с достаточно строгими результатами.


Микроокаменелости в метеорите ALH 84001

В августе 1996 г. все информационные агентства мира сообщили о так долго ожидавшемся открытии, — о следах внеземной жизни в метеоритном теле, найденном в Антарктиде. Обычно метеориты мало выделяются на фоне почвы, поэтому их редко находят. Удобными для их поиска оказались снежно-ледовые пустыни Антарктиды. Разумеется, при падении горячие метеориты уходят глубоко в лед и снег, поэтому на находку свежих образцов надеяться не приходится. Но при выветривании старых льдов вмороженные когда-то метеориты выходят на поверхность. Так в Антарктиде удается найти до 400 образцов за год, и так были найдены метеориты ЕЕТА 79001 в 1979 г. и ALH 84001 в 1984 г., отнесенные к группе SNC.

Метеоритный материал этой группы встречается очень редко. На 1997 г. было известно 12 метеоритов SNC. Это аббревиатура от названий населенных пунктов, вблизи которых нашли эти метеориты: Шерготти, Накла и Шассиньи (Shergotty, Nakhla, Chassigny). Четыре метеорита SNC удалось обнаружить сразу после выпадения, поэтому они не были загрязнены земными материалами. Метеорит Накла (Египет, близ Александрии), который выпал в 1911 г., долгое время был известен главным образом тем, что при падении убил собаку. Эта жертва — единственный известный случай в истории. Но наибольшую известность SNC-метеориты (их часто называют «шерготитами») получили по другой причине: они пришли с Марса. Еще несколько лет назад в это просто не верили. Но подробные исследования показали, как это происходит.

Чтобы покинуть поле тяготения Марса, осколки от метеоритного удара должны разлететься со скоростями не менее 5 км/с. Теория указывает, что для этого давление взрыва в момент удара должно достигать 1,5 Мбар, но при таких давлениях материал разрушается и плавится. По признакам, которые содержит материал самих метеоритов, выяснилось, что фактически они испытали лишь 1/4 давления, предсказанного теорией. Дело в том, что высокие давления в момент взрыва имеются только на достаточно большой глубине. Разрушенный и выброшенный материал подхватывает обломки на поверхности, которые таким образом приобретают необходимую скорость, но сами не разрушаются. Так шерготиты оказались в космосе. Дальнейший путь марсианских камней был очень запутанным и продолжался много миллионов лет. Часть таких метеоритов возвращается в конце концов на Марс, часть захватывается полем Юпитера и частично попадает в его атмосферу, часть выбрасывается из Солнечной системы. Наконец, небольшая часть достигает Земли и, возможно, Венеры и становится своего рода «обменным фондом» между планетами.

Несомненно, что такие же выбросы возможны и с Земли. Метровые обломки породы, выброшенной из большого (24 км.) метеоритного кратера Риис (Ries) в южной Германии, найдены в Швейцарии. Для этого их начальная скорость должна была составлять 1,4 км/с. А еще более мощные удары могли выбрасывать обломки и за пределы земного тяготения.

Шерготиты обладают интересными особенностями. Обломок, который выпал в Индии в 1965 г., содержит следы его образования в глубоком резервуаре магмы на другой планете. Другой представляет собой кусок слоистого материала, содержащего карбонаты, что может дать некоторые данные о прошлом климате Марса. Этот образец был недавно найден в Антарктиде. (Возникает вопрос, надо ли посылать на Марс экспедицию за образцами грунта). Наконец, если на Марсе когда-либо была жизнь, возможно, следы ее сохранились в этих метеоритах.

Сейчас столкновения крупных тел очень редки, и на Землю попадает мало марсианского материала, по оценкам, всего 1/2 тонны за год. Но на ранних этапах истории Солнечной системы планетных обломков должно было быть очень много.

Быстрое развитие технологии позволило создать научные приборы, которые способны провести анализ состава вещества на основе всего нескольких десятков тысяч его атомов. С использованием таких приборов в 1980 г. удалось выполнить изотопный анализ газа, содержавшегося в микроскопических количествах в метеорите ЕЕТА 79001. Результаты оказались сенсационными: состав газа и соотношение изотопов в нем такие же, как в атмосфере Марса по данным «Викингов». Изотопный состав — это своеобразный паспорт; химический состав может значительно изменяться, но изотопный очень стабилен. Так удалось доказать, что ЕЕТА 79001 и другие шерготиты действительно возникли на Марсе.

Метеорит ALH 84001 очень не похож на остальные. Довольно крупный, весом 1,9 кг, он пролежал после находки 10 лет, не привлекая внимания исследователей. Но в 1993—94 гг. удалось доказать, что изотопный состав содержащегося в нем кислорода также соответствует марсианскому, а метеорит обладает скрытыми признаками шерготитов.

В августе 1996 г. группа ученых объявила о возможном присутствии в этом метеорите древних окаменелостей биологического, но не земного происхождения. (Как правило, все метеориты загрязнены земной флорой. Вопреки распространенному мнению, Антарктида вовсе не стерильное место, микроорганизмов там сколько угодно).

Методы современной физики и химии позволяют определить возраст таких обломков и длительность их пребывания в открытом космосе. Возраст 11 образцов SNC не очень большой, от 180 до 1300 млн. лет. Но ALH 84001 оказался самым старым. По первым определениям, он возник из жидкой магмы 4,5 млрд. лет назад, когда Марс еще даже не до конца сформировался. Затем (3,9 млрд. лет назад) он подвергся сильному удару, который оставил в нем многочисленные трещины. За 16 млн. лет до нас еще более мощный удар выбросил его с поверхности Марса в космос, где он путешествовал до встречи с Землей. 13 тыс. лет назад он выпал на льды Антарктиды в районе Алан Хиле, где его и нашли.

«Мы уверены, что где бы ни образовался этот метеорит, что-то в нем жило, — писала газета Нью-Йорк Таймс. — Состав углеводородов указывает на биологическую активность». Эта цитата относится, однако, вовсе не к образцу ALH 84001. История повторяется. В 1961 г. сенсационные статьи посвящались метеориту Оргей, выпавшему во Франции в 1864 г. Его исследовал еще Луи Пастер. В 1961 г. группа специалистов в США объявила о том, что органические включения в метеорите имеют биологическое происхождение. Споры в научной прессе длились 14 лет, но закончились признанием, что включения «имеют земное происхождение».

Состоявшуюся в августе 1996 г. пресс-конференцию по итогам 1,5-летней работы с образцом ALH 84001 провели ученые, представлявшие различные научные направления. Кроме того, были независимые критические выступления. Заподозрив присутствие в метеорите микроокаменелостей древних бактерий неземного происхождения, ученые провели тщательные исследования по нескольким независимым направлениям, используя самую совершенную технику. Они не утверждали, что какое-либо из выбранных направлений привело к категорическому выводу о марсианских микроорганизмах. Скорее выводы можно сформулировать так, что ни одно из проведенных исследований не отвергает такой возможности.

Во-первых, вблизи поверхности (но не у самой оплавленной корки) обнаружена колония многочисленных овальных, а в некоторых случаях — удлиненных и червеобразных образований, очень похожих на окаменелые колонии древнейших земных бактерий. Но критики замечают, что земные бактерии с типичными размерами 0,5—20 мкм. в 100—1000 раз больше этих образований. Последних скорее следует отнести к «нанобактериям», так как их размеры всего 10—100 нм., и увидеть их удалось лишь благодаря большому прогрессу в технике электронных микроскопов. (Есть сообщения, что что-то похожее найдено и на Земле.) Другое серьезное возражение касается невозможности разместить в столь малом объеме элементарный аппарат наследственности (ДНК/РНК), а также все клеточные механизмы. Не обнаружены ни следы стенок (клеточных мембран), удерживающих протоплазму, ни образования в стадии деления. Наконец, остается вопрос, как и почему окаменелости нанобактерий оказались в изверженной, а не в осадочной породе.

Второе доказательство (в пользу исследователей) — присутствие заметных следов особых органических соединений — полициклических ароматических углеводородов, которые образуются после разложения погибших микроорганизмов. Вокруг каждого из пятнышек, которые могут быть такими следами, имеются также отложения карбонатов, окислов, сульфидов и сульфатов железа. Именно такие образования сопутствуют земным окаменелостям, это продукты их жизнедеятельности и разложения после гибели. Ученые считают, что они образовались около 3,6 млрд. лет назад, причем кроме радиоизотопного определения возраста об этом же говорят проходящие через отложения трещины, возникшие еще на Марсе. Интересен изотопный состав карбонатов. В ферментах (и в следах земных бактерий) изотопа углерода-13 меньше, чем в природных материалах. Именно это и обнаружено в ALH 84001 методами тонкой лазерной спектрометрии.

Третий аргумент — возраст образований, совпадающий с тем, когда климат Марса был благоприятным для возникновения жизни. Но и здесь оппоненты представили другую оценку возраста того же образца, — всего 1,39 млрд. лет, а это уже совсем другие условия на Марсе.


Рассматривались и другие стороны проблемы. В частности, если жизнь на Марсе была, то почему ее нет сейчас? Возникшую однажды жизнь уничтожить очень непросто. Жизнь приспосабливается к окружающей среде и приспосабливает ее к себе. Поэтому многие высказывают мнение, что жизнь на Марсе, если бы она сейчас существовала, было бы трудно не обнаружить.

Последующие результаты исследований показали, однако, что основные аргументы в пользу окаменелостей все же выглядят недостаточно убедительными. Было доказано, что в образце присутствуют земные биозагрязнения и что при образовании подозрительных следов он находился в условиях таких высоких температур, которые исключают их биологическое происхождение. Вместе с тем, столь категорически отрицательных результатов, как те, что дали «Викинги», получено не было. Вполне возможно, что земная биота не единственная в своем роде, и что физические условия, подобные земным, могут реализоваться еще на какой-то планете.

Пожалуй, это и все, чем мы ныне располагаем для оптимизма в отношении жизни на Марсе.

В более широком смысле можно отметить, что все почти 50-летние поиски разумных сигналов из космоса не дали ровно ничего. Для объяснения этого факта приводятся самые тонкие и остроумные идеи, но ученые все больше склоняются к тому, что разумная жизнь крайне редкое, если не уникальное явление. «Великое Молчание Вселенной», по-видимому действительно определяется крайне малой вероятностью перехода от простейших одноклеточных к сложным многоклеточным организмам. Только эволюция последних может привести к появлению разума. Половина жизненного пути Солнца и 5/6 истории Земли понадобилось, чтобы 570 млн. лет назад состоялся, наконец, «кембрийский взрыв», — внезапное и необъяснимое появление на Земле многоклеточных, пишет Стивен Гулд в своей книге «Удивительная жизнь» (Gould. S.J. Wonderful Life, 1989). Сколько сотен миллионов лет понадобится, чтобы эта вероятность реализовалась где-то еще во Вселенной? Факт доисторического существования простейшей жизни на Марсе, если ALH 84001 действительно его содержит, может быть посланием об одиночестве нашей цивилизации во Вселенной, безмерные пространства которой если где-то и населены, то скорее всего, одноклеточными. Можно закончить такими словами из передовой статьи в выпуске журнала «New Scientist», целиком посвященному находкам в ALH 84001: «Возможно, мы — одна из первых развитых цивилизаций в Галактике, обреченная блуждать в космосе и находить массу протоплазмы, но никого, с кем можно было бы поговорить».

Удастся ли найти такую «протоплазму» на Марсе?


Литература

Бурба Г.А. Номенклатура деталей рельефа Марса. М.: Наука, 1981.

Джонс Б.У. Жизнь в Солнечной системе и за ее пределами. М.: Наука, 2007.

Интерактивная карта Марса — http://www.google.com/mars/

Ксанфомалити Л.В. Планеты, открытые заново. М.: Наука, 1974.

Ксанфомалити Л.B. Парад планет. М.: Наука; Физматлит, 1997.

Кузьмин Р.О., Галкин И.Н. Как устроен Марс. М.: Знание, 1989.

Маров М.Я. Планеты Солнечной системы. М.: Наука, 1986.

Марс: великое противостояние / Ред.-сост. В.Г. Сурдин. М.: Физматлит, 2004.

Мороз В.И. Физика планеты Марс. М.: Наука, 1978.

Спутники Марса: Пер. с англ. М.: Мир, 1981.


Глава VII


ЮПИТЕР


Характеристики Юпитера


Большая полуось орбиты 5,204 а.е.=779 млн. км.

Сидерический период обращения («год») 11,86 лет=4332 сут.

Синодический период (средний) 1,09 лет=399 сут.

Сидерический период вращения («звездные сутки») 0,413 сут.=9 ч. 55 мин.

Наклонение орбиты к эклиптике 1,3°.

Эксцентриситет орбиты 0,049.

Средняя орбитальная скорость 13 км/с.

Наклон экватора к орбите 3,1°.

Масса 1,90×1027 кг.=318М⊕.

Средняя плотность 1.27 г/см3.

Экваториальный радиус Re (на уровне давления 1 бар) 71490 км.=11,2R⊕.

Полярный радиус Rp (на уровне 1 бар) 66770 км.=10,5R⊕.

Сжатие, (Re—Rp)/Re 1/15,2.

Ускорение силы притяжения на экваторе 24,79 м/с2 (ур. 1 бар).

Ускорение свободного падения на экваторе 23,12 м/с2 (ур. 1 бар).

Скорость ускользания (2-я космическая) 59.5 км/с.

Безразмерный момент инерции (в единицах MR2) 0,254.

Сферическое альбедо (по Бонду) 0,343.

Геометрическое альбедо (визуальное) 0,52.

Поток солнечного излучения 50.5 Вт/м2 .

Полное поглощаемое излучение 2,4×1011 МВт.

Эффективная температура 110 К.

Состав атмосферы (в долях объема) Н2(90%), Не(10%).

Магнитный момент диполя 4.28 Гс. Re3.

Наклон оси дипольного компонента к оси вращения 9,6°.

Количество спутников 63.


Результаты исследований Юпитера, приводимые ниже, получены как с помощью средств наземной астрономии, так и в ходе весьма удачных космических экспедиций американских пролетных зондов «Пионер-10» (1973), «Пионер-11» (1974), «Вояджер-1 и -2» (1979), «Улисс» (1992), «Кассини» (2000), «Новые горизонты» (2007) и, в наибольшей степени, «Галилео» (1995—2003), ставшего первым искусственным спутником Юпитера и впервые сбросившего спускаемый аппарат в атмосферу этой планеты.

Почти столь же детально был исследован и Сатурн: вблизи него прошли «Пионер-11» (1979), «Вояджер-1» (1980) и «Вояджер-2» (1981), а в 2004 г. его первым искусственным спутником стал «Кассини», который должен работать, по крайней мере, до 2008 г. Остальные планеты-гиганты пока исследованы не так детально, поскольку к ним была осуществлена лишь одна пролетная экспедиция: «Вояджер-2» сблизился с Ураном (1986) и Нептуном (1989). Все упомянутые экспедиции были организованы NASA, и только в подготовке «Кассини» принимали участие Европейское космическое агентство (ESA) и Итальянское космическое агентство (ISA).


Основные свойства планет-гигантов

Юпитер возглавляет семейство планет-гигантов, включающее также Сатурн, Уран и Нептун. Эта группа занимает внешнюю часть нашей планетной системы, в которой располагается также орбита Плутона. Но по своей природе Плутон ближе к крупным спутникам планет-гигантов. Однако, приняв во внимание, что Плутон движется вокруг Солнца самостоятельно и имеет собственные спутники, в 2006 г. решением Международного астрономического союза (MAC) он был утвержден прототипом нового класса объектов Солнечной системы, названных «планетами-карликами» (dwarf planet). Поэтому теперь все семейство классических планет можно четко делить на две группы: планеты земного типа располагаются во внутренней части нашей планетной системы, а планеты-гиганты, начиная с Юпитера, вместе с их спутниками занимают внешнюю часть системы.

Группа планет-гигантов характеризуется низкой средней плотностью: от 0,70 г/см3 у Сатурна до 1,64 г/см3 у Нептуна. Это значительно меньше средней плотности Земли (5,52 г/см3) и других планет земной группы. Тем не менее, размеры гигантов так велики, что на их долю приходится 99,5% всей массы планетной системы, или 445 масс Земли (М⊕). Наиболее велика масса Юпитера: 318 М⊕, или 1/1047 массы Солнца. Практически вся кинетическая энергия вращения планет (как суточного, так и орбитального), а также весь момент импульса планетной системы приходится на планеты-гиганты. Более того, орбитальный момент импульса одного только Юпитера существенно превосходит собственный момент импульса Солнца, так что практически весь момент вращения Солнечной системы заключен в планетах-гигантах. (Правда, кинетическая энергия вращения все же сосредоточена в Солнце).

Низкая средняя плотность крупнейших из гигантов указывает на малую молекулярную массу основных составляющих, которыми могут быть только легкие водород и гелий. Именно из этих газов состоят атмосферы Юпитера и Сатурна. Вероятно, эти же элементы в основном заполняют их недра. Более высокая средняя плотность Урана и Нептуна означает, что наряду с водородом и гелием в их состав в немалом количестве входят и более тяжелые элементы.

Несмотря на свои огромные размеры, планеты-гиганты получают от Солнца сравнительно мало тепла. Причина — их удаленность от Солнца и довольно высокое альбедо (около 0,5). Даже Юпитер поглощает солнечной энергии всего в 2,2 раза больше, чем Земля; а остальные гиганты — в десятки раз меньше. Поэтому у всех планет-гигантов поток внутреннего тепла сопоставим с потоком поглощаемой солнечной энергии (а у некоторых — даже превосходит его).

Состав, строение, низкая средняя плотность и быстрое вращение Юпитера типичны и для других гигантов. А вот особенностью Юпитера является малый наклон экватора к орбите, всего 3°. Вместе с малым эксцентриситетом орбиты это приводит почти к полному отсутствию смены времен года.

Юпитер — удобный объект астрономических наблюдений. Его противостояния повторяются каждые 399 сут. Размер Юпитера велик: он в 11,2 раза больше Земли по диаметру, в 1320 раз по объему и в 318 раз по массе. Сила тяжести на экваторе планеты в 2,36 раза больше, чем у Земли. У полюсов она еще больше на 16%. Благодаря огромной массе Юпитера значения первой и второй космических скоростей на высоте 1000 км. от верхней границы облаков составляют, соответственно, 42 и 59 км/с. Период обращения спутника на такой круговой орбите составит всего 3 ч., несмотря на очень большую удаленность от центра планеты (72400 км.). Но поскольку ближе к планете спутник обращаться не может, это минимальный орбитальный период в окрестности Юпитера, тогда как вокруг Земли можно облететь всего за 1,5 ч. Огромное значение второй космической скорости делают чрезвычайно сложной задачей создание спускаемого аппарата для Юпитера.

При огромном экваториальном радиусе (71400 км.) Юпитер совершает оборот вокруг оси всего за 9ч. 55,5мин. Точки экватора движутся со скоростью 12,6 км/с. Центробежная сила заметно деформирует Юпитер: его полярный диаметр на 7% меньше экваториального. Еще в XVII в. стало известно, что Юпитер вращается не как твердое тело: его экваториальная зона совершает оборот быстрее остальных зон. Поэтому для отождествления деталей на диске Юпитера ранее использовали две системы координат: «систему I» с суточным периодом 9ч. 50мин. 30,003с. используют для экваториальной зоны до широты ±(10—15)°, а на более высоких широтах используют «систему II» с суточным периодом 9ч. 55мин. 40,632с. Разумеется, это лишь средние периоды вращения указанных областей; внутри каждой из них угловая скорость немного изменяется вдоль широты, причем весьма замысловато. В последнее время предпочтительной считается «система III», связанная с вращением магнитного поля планеты, имеющим период 9ч. 55мин. 30с.


Вся видимая поверхность Юпитера и детали, по которым определены периоды вращения, — это довольно плотные облака. Они образуют многочисленные полосы желто-коричневых, белых, красных и голубоватых оттенков. Полосы, охватывающие планету, как параллели, образуют системы темных поясов и светлых зон, сравнительно симметрично расположенных к северу и к югу от экватора.

Хотя пояса и зоны — постоянные образования на Юпитере, вид их довольно изменчив. Изменяется и общий оттенок Юпитера. Полосатая структура облачного покрова охватывает экваториальную часть планеты и доходит до широт ±40°. Севернее и южнее облака образуют поле с коричневыми и голубоватыми пятнами, по-видимому, циклонического характера, диаметром до 1 тыс. км.


Большое Красное Пятно

На рис. слева внизу можно видеть и самую известную деталь Юпитера — Большое Красное Пятно (БКП). Это овальное образование изменяющихся размеров, расположенное в южной тропической зоне. Сейчас его размер в долготном направлении около 25 тыс. км., т.е. вдвое больше Земли, а в конце XIX в. оно было еще почти в два раза больше. БКП привлекает внимание яркой окраской, но ее контрастность изменчива. Впервые БКП как яркая деталь описано в 1878 г. Позже выяснилось, что наблюдатели рисовали его в своих журналах еще 300 лет назад. Периоды, когда Пятно становилось особенно заметным, отмечались в 1878—1882, 1893—1894, 1903—1907, 1911, 1914, 1919—1920 и в другие годы. Поиски какой-то периодичности не принесли результатов. Между периодами видимости БКП бледнеет и становится малозаметным. В красных лучах БКП вообще мало отличается от фона.

Особый интерес вызывает движение БКП. Почему-то период его обращения несколько больше периода светлой Южной тропической зоны, на которой оно находится, поэтому в своем движении Пятно несколько отстает от нее, запаздывая на один полный оборот примерно за 30 лет. Иногда там появляются другие детали, которые постепенно догоняют БКП, а через несколько недель появляются впереди Пятна.


Было высказано множество догадок о том, что такое БКП. Поскольку температура внешних слоев атмосферы (облачного слоя) очень низка, в одной из гипотез предполагалось, что БКП — это гигантский остров из льда, который плавает в атмосфере. Другие гипотезы связывали БКП с так называемой конвективной колонной, срез которой извне представляется Пятном. Но у Юпитера вообще нет поверхности в земном смысле. К тому же «шатания» Пятна по широте и долготе указывают, что оно вообще никак не связано с какой-либо поверхностью.

Плодотворной оказалась идея о том, что БКП — это долгоживущий свободный вихрь в атмосфере Юпитера. Вихрь такого размера и соответствующей массы с верхушкой в виде Красного Пятна может прожить тысячи лет. Согласно наблюдениям, движение деталей по поверхности Пятна действительно носит характер вихря. Появилось большое число гипотез в развитие идеи вихря. Образования, подобные БКП, связывают с существованием устойчивой одиночной волны в атмосфере — солитона. В этом случае БКП может быть очень долгоживущей деталью на облачной поверхности Юпитера.

Наблюдения с космических аппаратов подтвердили, что БКП — это гигантский долгоживущий вихрь в атмосфере планеты. Снимки, сделанные «Вояджерами» за дни пролета мимо Юпитера, были смонтированы в кадры кинофильма, где все движения ускорены в полмиллиона раз. Перед зрителем возникла шевелящаяся, ползущая масса поясов, зон и «плюмажей», подобных тем, что можно видеть на рис. Плюмажи, окантовки БКП и другие пятна огибают этот вихрь, срываются с него и уходят к западу. Светлые, расширяющиеся к западу полосы вдоль экваториального пояса напоминают полосы дыма, относимые ветром от источника. Темный экваториальный пояс в своем относительном движении к западу обгоняет южный умеренный пояс, а зажатое между ними Большое Красное Пятно вращается против хода часовой стрелки с периодом чуть более 6 сут.

На периферии БКП движение облаков имеет хаотический, турбулентный характер, но в центре движение спокойное. С периферией БКП связаны характерные голубые пятна; некоторые из них возникли сравнительно недавно, в 1939—40 гг. Возможно, это дочерние вихри, отделившиеся от Большого Пятна. Такие же небольшие пятна видны на поясах и зонах, расположенных южнее БКП, т.е. ближе к полюсу.


Состав, строение и динамика атмосферы

Юпитер почти целиком состоит из водорода и гелия — как внутри (на это указывают расчеты), так и снаружи (по прямым измерениям). В атмосфере Юпитера по данным «Вояджеров» 89% водорода и 11% гелия (по объему). Отношение 89:11 по объему для водородно-гелиевой смеси — это то же, что 80:20 по массе, так как масса атома гелия 4 а.е., а молекулы водорода 2 а.е. Измерения со спускаемого аппарата «Галилео» (1995 г.) дали немного большее содержание гелия, 24% по массе.

Водородно-гелиевая атмосфера Юпитера имеет огромную протяженность. Облачный покров расположен на высоте не менее 1000 км. над условной «поверхностью», где огромное давление вызывает постепенный переход вещества от газообразного состояния к жидкому. Облачный слой и, по крайней мере, верхняя часть атмосферы охвачены интенсивными вертикальными движениями, которые проявляются в характерной картине темных поясов и светлых зон Юпитера.


В атмосфере Юпитера практически нет меридиональных течений. Зоны и пояса — это области восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, которые в долготном направлении имеют глобальную протяженность. Эти атмосферные течения, параллельные экватору, имеют некоторое сходство с пассатами Земли. Движущие силы в этой природной тепловой машине — потоки тепла, идущие из глубины планеты, энергия, получаемая от Солнца, а также быстрое вращение планеты. Видимые поверхности зон и поясов в таком случае должны находиться на разных высотах. Это было подтверждено тепловыми измерениями: зоны оказались холоднее поясов. Разница в температурах показывает, что видимая поверхность зон расположена примерно на 20 км. выше. БКП оказалось выше и на несколько градусов холоднее поясов. И, наоборот, голубые пятна оказались источниками тепловой радиации, восходящей из глубоких слоев атмосферы. Интересно, что не обнаружено существенной разности температур между полярными и экваториальными областями планеты. Косвенно это позволяет сделать такой вывод: внутреннее тепло планеты играет более важную роль в динамике ее атмосферы, чем энергия, получаемая от Солнца. Средняя температура на уровне видимых облаков близка к 130 К.

Еще по наземным наблюдениям астрономы разделили пояса и зоны в атмосфере Юпитера на экваториальные, тропические, умеренные и полярные. Например, БКП лежит в Южной тропической зоне. Поднимающиеся из глубин атмосферы нагретые массы газов в зонах под действием значительных на Юпитере кориолисовых сил вытягиваются в долготном направлении, причем противоположные края зон движутся навстречу друг другу, вдоль параллелей. На границах зон и поясов (области нисходящих потоков) видна сильная турбулентность; скорости движения здесь достигают наибольших значений, до 100 м/с, а в районе экватора даже 150 м/с. Севернее экватора потоки в зонах, направленные к северу, отклоняются кориолисовыми силами к востоку, а направленные к югу — к западу. В южном полушарии направление отклонений обратное. Именно такую структуру движений на Земле образуют пассаты. «Крыша» облаков в поясах и зонах находится на разных высотах. Различия в их окраске определяются температурой и давлением фазовых переходов малых газообразных составляющих. Светлые зоны — это восходящие колонны газа с повышенным содержанием аммиака, пояса — обедненные аммиаком нисходящие потоки. Яркая окраска поясов связана, вероятно, с аммонийными полисульфидами и некоторыми другими окрашивающими компонентами, например, фосфином.


Вихри в атмосфере Юпитера

Экспериментальные данные свидетельствуют, что динамика облачного слоя Юпитера — лишь внешнее проявление могучих сил, действующих в подоблачной атмосфере планеты. Удавалось наблюдать, как в облаках возникает мощное вихревое образование, местный ураган, диаметром в 1000 км. и более. Такие образования живут долго, по нескольку лет, а наиболее крупные из них — даже несколько сотен лет. Подобные вихри образуются, например, в результате движения больших масс поднимающегося нагретого газа в атмосфере. На рис. БКП видно большое число вихревых образований. Во многих случаях пятна имеют темную окантовку. Маленькие пятна живут менее 24 ч.

Возникший вихрь выносит на поверхность облаков нагретые массы газа с парами малых компонентов, чем замыкается цепь их кругооборота в атмосфере. Образующиеся кристаллы аммиачного снега, растворов и соединений аммиака в виде снега и капель, обычного водяного снега и льда постепенно опускаются в атмосфере и достигают такого уровня температуры, где испаряются. В газовой фазе вещество снова возвращается в облачный слой.

Как правило, в центре вихря давление оказывается более высоким, чем в окружающем районе, а сами ураганы были с запада окантованы возмущениями с низким давлением. В земных ураганах такого типа часто наблюдаются молнии. Снимки с «Вояджеров» показали, что на ночной стороне Юпитера наблюдаются световые вспышки колоссальной протяженности — до 1000 км. и более. Это сверхмолнии, энергия в которых намного больше, чем в земных. Выяснилось, однако, что юпитерианские молнии малочисленнее земных. Интересно, что молнии Юпитера были обнаружены через 3 месяца после открытия гроз на Венере.

Вихревые образования вроде пятен голубого и коричневого оттенков наблюдались не только в устойчивых поясах и зонах, но и в полярных районах Юпитера. Здесь характерный вид облачного слоя представляет светло-коричневое поле с темными и светлыми коричневыми и голубоватыми пятнами. Здесь, в области тех широт, где зональная циркуляция становится неустойчивой, пояса и зоны уступают место метеорологическим образованиям типа «кружевных воротников» и «плюмажей». Районы вблизи полюса планеты увидеть можно только с космических аппаратов. Кажущийся хаос пятен все же подчиняется общей закономерности циркуляции, причем определяющую роль играют движения в глубине атмосферы.

Принимая ряд допущений, теоретики сумели в некоторых моделях получить явления, напоминающие то, что видно на Юпитере (и Сатурне). Одна из теоретических моделей структуры планеты представляет собой систему из вложенных друг в друга цилиндров, осью которых служит полярная ось. Цилиндры проходят сквозь всю планету и выходят на поверхность, скажем, у 40°с.ш. и у 40°ю.ш. То, что мы видим, — срезы этих цилиндров, вращающихся с различными скоростями. Если считать от экватора, то цилиндры проникают вглубь на половину радиуса планеты. Пятна или овалы также представляют собой сквозные колонны, зажатые между цилиндрами. Кстати, некоторые наблюдатели указывают, что симметрично БКП на той же широте в северном полушарии иногда видно такое же по размерам, но слабее выраженное пятно.

Дочерние голубые пятна, возможно, наблюдаются сквозь разрывы облачного слоя. Однако часто разрывы бывают не связаны с пятнами и сквозь них видны более низкие облачные слои. Серия подобных разрывов наблюдалась вдоль границы Северного экваториального пояса. Разрывы существуют довольно долго, по нескольку лет. О том, что это именно разрывы, свидетельствует повышенный поток тепла от этих мест. С глубиной температура быстро возрастает. Уже на уровне давления 2 бар она составляет примерно 210 К. А радиоизлучение, приходящее с больших глубин, свидетельствует о более высокой температуре. По расчетам, на глубине 300 км. атмосфера Юпитера так же горяча, как и атмосфера Венеры у ее поверхности (около 730 К).

Измерение тепловых потоков, исходящих от Юпитера, показало, что практически нет различий между полярными и экваториальными районами, его дневной и ночной сторонами. Значительную роль в этом играет подвод тепла благодаря адвекции — переносу газа в горизонтальных движениях атмосферы. На фоне упорядоченной структуры поясов и зон, вихрей и плюмажей наблюдаются быстрые течения газа — ветры со скоростью до 120 м/с. Если учесть большую теплоемкость водорода, то не будет удивлять постоянство температуры в разных районах планеты.

Причиной мощной циркуляции, доставляющей тепло к облачному слою, несомненно служит тепловой поток, исходящий из недр планеты. Измерения показали, что собственные источники энергии Юпитера дают не меньше тепла, чем планета получает от Солнца. Во многих научных работах можно прочесть, что дополнительная энергия в недрах Юпитера и других планет-гигантов освобождается в результате очень медленного их сжатия; причем расчеты показывают, что для этого достаточно сжатия планеты на миллиметры в год. Однако сведения о строении Юпитера не подтверждают эту гипотезу.

Анализ движения космических аппаратов в гравитационном поле планеты позволяет судить о строении ее недр и состоянии вещества. Движение аппаратов показывает, что это газо-жидкая планета, состоящая из смеси водорода и гелия, и что твердой поверхности она не имеет. Фигура Юпитера математически идеальна, какой может быть только жидкая планета. Безразмерный момент инерции имеет очень низкое значение: 0,254. Это говорит о высокой концентрации массы в центре планеты. Значительная часть его ядра находится в жидком состоянии. А жидкое ядро практически несжимаемо. Источником теплового потока может быть выделившееся еще при формировании планеты (4,5 млрд. лет назад) тепло, запасенное в ядре и оболочках Юпитера.

Есть свидетельства тому, что на ранних стадиях эволюции Юпитер излучал в космос огромные потоки энергии. Галилеевы спутники Юпитера, расположенные несравненно ближе к своей планете, чем к Солнцу, получали на единицу площади больше энергии, чем Меркурий от Солнца. Следы этих событий сохранились на поверхности Ганимеда. Расчеты показывают, что пиковая светимость Юпитера могла доходить до 1/10 светимости Солнца. В лучах Юпитера плавились льды на поверхности всех спутников, частично включая Ганимед. Реликтовое тепло планеты сохраняется с той далекой эпохи. А в настоящее время важным источником тепла может быть медленное погружение к центру планеты более плотного, чем водород, гелия.


Облачный покров и прилегающие слои атмосферы

Результаты измерений яркостной температуры Юпитера зависят от длины волны: в некоторых спектральных интервалах атмосфера более прозрачна; в этих «окнах» удается наблюдать излучение относительно глубоких и теплых слоев тропосферы. В других диапазонах поглощение очень велико и тепловое излучение приходит от более высоких и холодных слоев стратосферы. В среднем на том уровне, где расположена видимая поверхность облаков, температура составляет 150 К, а давление немного ниже, чем у поверхности Земли, — 0,5 бар. На уровне 0,1 бар, где расположена тропопауза, температура падает до 100—120 К, это минимальная температура на Юпитере. Выше температура снова растет и на высоте около 90 км. над облаками достигает 140—160 К. Еще выше, до уровня давления 10—6 мбар, температура остается почти постоянной, около 180 К. Благодаря поглощению коротковолнового излучения Солнца средняя температура протонов и электронов на высотах 600—3000 км. составляет 850—1000 К. Здесь находится обширная ионосфера планеты, которая простирается в высоту на 3 тыс. км. Наибольшая концентрация электронов, примерно 105 в 1 см3, приходится на высоту 1000 км.


В отличие от облаков Земли, состоящих только из воды, облака Юпитера содержат различные соединения по меньшей мере шести элементов — водорода, углерода, азота, кислорода, серы и фосфора. Их состав определяется давлением, температурой, освещенностью и движениями атмосферы. Давно известно, что в атмосфере Юпитера присутствуют аммиак (NH3) и метан (CH4), молекулы которых содержат много водорода. Но аммиак, метан, водяной пар, гидросульфид аммония (NH3H2S) — все это малые составляющие доступной изучению части атмосферы Юпитера. Отметим, что присущие Юпитеру сильные полосы паров аммиака едва заметны у Сатурна, а Уран и Нептун не имеют их вовсе, так как весь аммиак замораживается глубоко под их облачными слоями. Зато полосы метана у этих планет становятся весьма широкими и занимают значительную часть спектра в красно-голубой его части, что и придает этим планетам сине-зеленую окраску.

На уровне облаков Юпитера содержание водяного пара составляет 1,5×10—3, метана 8,3×10—3, гидросульфида аммония в газовой фазе 2,8×10—5, аммиака 1,7×10—4. При этом содержание аммиака переменно и зависит от высоты. Именно он образует видимый облачный покров; температура его конденсации зависит от давления и составляет 130—200 К, что в среднем совпадает с тем, что наблюдается на уровне облаков. При температуре 165 К давление аммиака над кристалликами аммиачного льда составляет 1,9 мбар, и возрастает вдвое при 170 К. Для конденсации метана при тех же давлениях нужна значительно более низкая температура, 79 К. Поэтому метан в атмосфере Юпитера в твердую фазу, по-видимому, не конденсируется.

В облаках наряду с кристаллами должны присутствовать капли жидкого аммиака. Цвет облаков с такой смесью белый с легким желтоватым оттенком, характерным для зон. Однако для объяснения красно-коричневых оттенков поясов необходим какой-то другой окрашивающий агент. По-видимому, некоторые цветные оттенки поясам придает фосфин (РН3) — газообразное соединение фосфора с водородом, содержание которого около 6×10—7. При температурах от 290 до 600 К оно распадается с выделением красного фосфора. И наоборот, при низкой температуре фосфор снова соединяется с водородом. Окраска облаков может быть связана также с водородными и аммонийными полисульфидами и серой. В списке газов, присутствующих в атмосфере Юпитера, значатся также этан, ацетилен, незначительное количество синильной кислоты (HCN), окись углерода и углекислый газ. Присутствие последнего в атмосфере Юпитера объяснить трудно, так как двуокись углерода разрушается в водородной атмосфере.

Следует помнить, что видимая поверхность облаков представляет тонкий слой, всего несколько десятков километров. Под облаками из кристаллического аммония находятся другие слои: из сернистокислого аммония, водного раствора аммиака, из кристалликов водного льда, наконец — из капель воды.


Первый зонд в атмосфере Юпитера

7 декабря 1995 г. сброшенный с «Галилео» зонд впервые в истории вошел в атмосферу Юпитера. Его начальная скорость 60 км/с за 3 мин. упала до 500 м/с. Действующая на аппарат перегрузка достигала 228g. Кинетическая энергия рассеивалась на лобовом коническом щите, температура покрытия которого поднялась до 14000°С! Затем щит отделился, и дальнейший спуск проходил на парашюте, в районе 6,5°с.ш., 4,5°з.д.

Пока аппарат был в работоспособном состоянии, он углубился в атмосферу на 146 км. ниже уровня условной поверхности Юпитера (верхняя кромка плотных облачных слоев, где давление равно 1 бар, а температура —107°С). Все это время — около 60 минут — зонд передавал результаты научных измерений на орбитальный отсек. Предполагалось, что при этом он пройдет все облачные слои, о которых говорилось выше. Радиосигналы с аппарата перестали поступать, когда давление достигло 22 бар, а температура 153°С. По-видимому, водородно-гелиевая атмосфера каким-то образом проникла в аппарат, иначе измерения продолжались бы и дальше. Из-за технических проблем не всю программу удалось выполнить. Непосредственные измерения показали, что физика атмосферы Юпитера еще сложнее, чем предполагалось.

Район входа находится на границе экваториальной зоны и северного экваториального пояса, где на некоторых участках наблюдается повышенная яркость в инфракрасном (5 мкм.) диапазоне. Характер полученных данных не полностью соответствует изложенным выше представлениям, что, в принципе, можно отнести за счет локальных особенностей района. По постепенному ослаблению солнечного света зонд обнаружил над верхним ярусом облаков диффузный слой, состоящий из ледяных частиц аммиака. Фактически зарегистрирован только один слой облаков, состоящий, по-видимому, из ледяных частиц гидросульфида, причем метеорологическая «дальность видности» в нем превышает 1,5 км. Из распределения яркости неба был сделан вывод, что вдали были видны какие-то облака. Но никакого слоя водяного пара или снега, вопреки ожиданиям, не обнаружено. Более того, атмосфера Юпитера оказалась очень сухой.

Массовое соотношение водорода к гелию в атмосфере (75:24) оказалось большим, чем по результатам «Вояджеров». На долю остальных элементов приходится всего 1%, причем углерода и серы в 2—3 раза больше, чем на Солнце. Количество органических молекул ничтожно мало. Теоретические модели с содержанием гелия 24% указывают, что температура ядра у Юпитера очень высокая, около 20000 К.

Зональные (восток-запад) скорости ветра на всем протяжении спуска были очень велики и достигали 640 км/ч, или 180 м/с. Измерения с «Вояджеров» тоже указывали на высокие скорости ветра, но трудно было предположить, что такие же скорости сохраняются глубоко под облачным слоем. Если на Земле динамика атмосферы и океана определяется притоком энергии от Солнца, то на Юпитере роль Солнца в метео-явлениях невелика. Ветры, превосходящие в несколько раз самые ураганные ветры Земли, порождаются мощными источниками тепла в горячих глубинах планеты, причем это относится почти ко всем планетам-гигантам.

Мы говорили уже о «сверхмолниях» на Юпитере. На зонде, сброшенном с «Галилео», был установлен прибор для регистрации молний как оптическим, так и радиометодом. Вспышки зарегистрированы не были, но радиоизлучение удаленных молний принималось постоянно. Молнии примерно в 10 раз превосходят по мощности земные, но на единицу площади их меньше тоже в 10 раз. Таким образом, грозовые явления теперь известны на Венере, Земле и Юпитере. Возможно, они существуют и на других планетах-гигантах.

По составу водородо-гелиевый Юпитер очень напоминает звезды. Его даже называют иногда «несостоявшейся звездой». Однако масса Юпитера в 13 раз меньше минимальной массы самых легких звезд — коричневых карликов, способных перерабатывать в своих недрах «легкогорящие» в термоядерных реакциях элементы — дейтерий и литий. Масса Юпитера в 70 раз меньше того минимума (предел Кумара), который необходим для протекания водородо-гелиевых термоядерных реакций, служащих источником энергии Солнца. В процессе термоядерного синтеза водорода в Солнце становится все меньше, а гелия — все больше. Атмосфера же Юпитера, напротив, должна иметь реликтовый, исходный состав протосолнечной туманности. Поэтому соотношение между водородом и гелием должно было сохраниться в ней таким же, каким оно было у молодого Солнца. На основании измерений Юпитера мы можем теперь считать (с известной осторожностью), что Солнце с самого начала содержало довольно много гелия.


Внутреннее строение и магнитное поле

Протяженность атмосферы Юпитера по разным оценкам составляет от 1 до 6 тыс. км. При первом из этих значений — 1000 км. — давление на «дне» водородо-гелиевой атмосферы будет достигать 150 тыс. бар. Там должна начинаться зона плавного перехода газообразной, жидкой и твердой фаз в «поверхность» Юпитера, по некоторым расчетам раскаленную до 2000 К.

Толстый слой «жидкого водорода» действительно ведет себя как жидкость, хотя правильнее называть это состояние газожидким. Из-за высокой температуры водород Юпитера и других гигантов находится в сверхкритическом состоянии: водород не может быть жидкостью при температуре более 33 К. Здесь необходимо сделать оговорку.

Увеличение давления выше некоторого предельного приводит к разрушению электронных оболочек атомов. Вещество резко изменяет свои свойства. Так, при давлении около 1 млн. бар. (для Юпитера это глубина, по разным оценкам, от 12 до 20 тыс. км.) возникает жидкий молекулярный водород. Его слой, вероятно, с примесью гелия, образует внешнее ядро планеты. Далее водород переходит в металлическое состояние с выделением теплоты фазового перехода. Это один из источников энергии в недрах планеты. При металлизации водорода могут возникнуть своеобразные растворы, например раствор гелия в металлическом водороде. Наконец, сам металлический водород тоже может быть твердым или жидким. Учет всех этих подробностей делает расчеты внутреннего строения планет-гигантов крайне сложными.


Схемы внутреннего строения планет-гигантов представлены на рис. в виде объемных секторов. Там же для сравнения показано строение Земли.

Плотность оболочек возрастает по направлению к центру планеты. Атмосфера Юпитера, толщина которой принята 1500 км., уплотняется в глубину. На дне атмосферы находится слой газо-жидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,88 радиуса водород переходит в жидкомолекулярное состояние с резким увеличением плотности от 0,56 до 0,66 г/см3. Здесь давление и температура составляют 0,69 Мбар и 6500 К. Ниже, на уровне 0,77 радиуса (3 Мбар, 10000 К) водород переходит в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Общее количество водорода и гелия у Юпитера соответствует 225 и 70 массам Земли. Еще 20 масс Земли приходится на тяжелые элементы в центре планеты и отчасти в оболочках.

На внутреннее ядро Юпитера приходится не менее 5 масс Земли, а по диаметру оно примерно вдвое больше Земли. По составу ядро металло-силикатное и, возможно, включает воду, аммиак и метан. Предполагают, что внутреннее ядро окружено слоем гелия или растворов гелия. Температура в центре планеты близка к 20000 К, а давление около 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн, однако уровень внешней границы металлического водорода у него находится у 0,49 радиуса, а граница внутреннего ядра — у 0,15 радиуса. Температура и давление в центре Сатурна, согласно расчетам, 17000 К и 23 Мбар.

Значительно ниже температура и давление в центре Урана и Нептуна: около 7200 К и 8 Мбар. Водорода в их составе намного меньше. Над большим металло-силикатным ядром у них расположены мантии из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. Не следует понимать слово «льды» в привычном смысле: это вещества, образующие льды при физических условиях облачного покрова Юпитера.

На уровне 0,91 радиуса Юпитера, ниже его «океанической» поверхности, давление и температура достигают значений, достаточных для появления в веществе свободных электронов, обеспечивающих электрическую проводимость. По-видимому, начиная с этого уровня формируется сильное магнитное поле, обусловленное быстрым вращением Юпитера и движениями проводящей среды в его недрах. Поле несколько напоминает земное, но намного сильнее его. Дипольная составляющая создает на уровне облачного слоя напряженность 4—5 Гс (на Земле 0,35 Гс), а в районах магнитных полюсов Юпитера — 11 и 14 Гс. Ось диполя на 11° наклонена к оси вращения планеты (почти как у Земли!). Направление полюсов обратно земному. Значительную напряженность поля имеют компоненты более сложного характера с числом полюсов 4 и 8 — квадрупольная и октупольная, магнитные моменты которых составляет 22 и 18% от дипольного. Все это создает сложную картину магнитного поля планеты:


множество магнитных полюсов, из которых два (северный и южный) примерно в 5 раз сильнее остальных.

Радиационные пояса Юпитера превышают земные во много раз по напряженности поля и размерам, а с ночной стороны магнитный шлейф Юпитера тянется на многие сотни миллионов километров и достигает орбиты Сатурна.


Радиоизлучение Юпитера

В 1960-х гг. было обнаружено дециметровое радиоизлучение Юпитера. Оно имеет в значительной мере нетепловой характер (т.е. не связано с тепловым излучением планеты). Как известно, движение электронов в магнитных полях сопровождается электромагнитным излучением. Его называют циклотронным, если кинетическая энергия электронов меньше 0,5 МэВ, т.е. меньше энергии покоя электрона (meс2). В случае, если электроны релятивистские, т.е. их энергия намного больше 0,5 МэВ, излучение называют синхротронным. Долго оставалось неясным, к какому из этих типов относится дециметровое радиоизлучение Юпитера. В 1964 г. было показано, что оно исходит из пространства, намного превышающего диаметр Юпитера, причем наиболее интенсивно излучают две области: с востока и с запада от планеты.


С помощью космических аппаратов удалось установить, что магнитосфера и радиационные пояса Юпитера — это гигантский «природный ускоритель» заряженных частиц, в действии которого принимают участие природные спутники планеты. Этот ускоритель представляет собой тороидальный пояс, наклоненный, к экваториальной плоскости планеты в соответствии с наклоном оси магнитного диполя и вращающийся вместе с магнитосферой. Наиболее близкая к планете часть магнитосферы, в пределах 20 радиусов планеты, вращается вместе с дипольной составляющей магнитного поля (период 9ч. 55мин. 29,7с.). Радиационный пояс охватывает пространство от 1,5 до 6 радиусов планеты. Энергия электронов, захваченных в радиационных поясах и ускоренных в них, лежит в пределах от 3 до 30 МэВ. Дециметровое радиоизлучение, имеющее непрерывный, спокойный характер, генерируется именно в этих поясах электронами с энергией около 17 МэВ. Таким образом, дециметровое излучение Юпитера относится к синхротронному типу.

Вместе с тем, от планеты исходит и более длинноволновое излучение. В 1954 г., когда в США вводили в действие новый радиотелескоп, на выходе тщательно проверенной аппаратуры время от времени появлялись сильнейшие периодические помехи. Всплески повторялись с более или менее правильными интервалами на длине волны 13,5 м. Вскоре удалось установить, что искать этот источник на Земле бесполезно. Мощные помехи шли от Юпитера.

Экспериментаторы даже утверждали, что излучение Юпитера можно принимать на вполне определенных длинах волн: 29,7; 20; 18,2; 16,7; 15,5; 13,5 и 11,4 метров, и что даже через несколько месяцев таинственные радиосигналы появляются на тех же частотах. Подобно сигналам наших радиопередатчиков, «сигналы Юпитера» занимают узкую полосу частот: от 5 до 50 кГц.

Когда была применена радиоаппаратура с высоким временным разрешением, удалось установить, что в ряде случаев сигналы имеют сложную внутреннюю структуру: импульсы длительностью в тысячные доли секунды разделены паузами в сотые доли, причем амплитуда меняется от импульса к импульсу, но остается постоянной в пределах одного импульса. Очень похожую структуру имеют сигналы некоторых специальных радиостанций Земли, использующих особую кодово-импульсную модуляцию.


Встреча Юпитера с кометой

Долгое время кольцо считалось привилегией Сатурна. Когда у всех планет-гигантов открыли кольца разной степени сохранности, появилась новая гипотеза об относительной недолговечности планетных колец, которые рождаются в разрушительных столкновениях их спутников с кометами. Однако критики этой гипотезы неизменно приводили такое возражение: почему же мы не видим самих столкновений и прочих катастроф? В 1994 г. положение изменилось радикально.

В начале 1993 г. была открыта странная комета, названная по фамилиям первооткрывателей «кометой Шумейкеров-Леви-9». Она представляла собой около 20 отдельных кометных тел, вытянувшихся цепочкой.


Судьба кометы была предсказана незамедлительно: в 1994 г. произойдет небесная катастрофа примерно таких же масштабов, как та, что случилась 65 млн. лет назад на Земле, когда погибло около 80% всех видов животных. Раньше вероятность такого события представлялась ученым настолько малой, что его обычно воспринимали как исторический факт, не более. Но расчеты подтвердились. В июле 1994 г. обломки кометы, размерами, по разным оценкам, от 1 до 10 км., врезались в Юпитер со скоростью 60 км/с. Их огромная кинетическая энергия при внезапной остановке выделилась в виде теплового взрыва.

Для земных наблюдателей положение осложнялось тем, что столкновение произошло на не видимой с Земли стороне планеты. Но быстрое вращение Юпитера позволило увидеть свежие следы столкновения, которые сохранились в атмосфере планеты надолго. Обломки кометы врезались в нее с 16 по 22 июля 1994 г. Энергия взрыва фрагмента G была оценена как эквивалент 6 млн. водородных бомб по одной мегатонне каждая. На рис. можно видеть, как выглядел след этого взрыва через 45 мин. Следы взрыва более темные, чем окружающий фон облаков, но в полосе метана они светлее. Тонкое кольцо вокруг центра лишь на 1/5 меньше диаметра земного шара. Фрагмент G входил с юга, под углом 45°.


Широкая темная дуга справа образована, по-видимому, продуктами выбросов, направленных в сторону удара. На снимках виден также след, оставленный фрагментом D. Это точка слева от кольца, темная на рис. Фрагменты кометы оставили цепь подобных следов меньших размеров на облачной поверхности Юпитера. Взрывы происходили достаточно глубоко в атмосфере; на это указывают радиальные лучи на снимке. Продукты взрыва поднялись над лимбом планеты в виде полусферы и примерно через 20 мин. превратились в полоску над горизонтом.

В то время как в обычных наблюдениях сера на Юпитере не обнаруживается, в продуктах взрыва установлено присутствие большого количества серосодержащих соединений, например, дисульфида углерода, аллотропа S2 и других. Научные данные о столкновении кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером останутся уникальным материалом надолго, возможно даже, на тысячелетия.


Кольцо Юпитера

Орбиты двух ближайших к Юпитеру спутников, небольших тел Метис и Адрастея, проходят по внешнему краю удивительного образования — кольца Юпитера, совершенно не похожего на кольцо Сатурна. Его внешняя граница проходит на расстоянии 128 тыс. км. от центра планеты, а толщина не более нескольких километров. Обнаружили это кольцо в 1979 г. с помощью зондов «Вояджер», хотя его существование предполагалось и раньше.


Кольцо состоит из частиц микронных размеров, об этом говорит сильное рассеяние ими света вперед, в направлении его падения (крупные частицы отражают свет назад). Именно поэтому кольцо лучше всего видно на снимках, сделанных, когда аппарат находился за Юпитером, а кольцо наблюдалось в контражуре. Плотность кольца так мала, что оно в тысячи раз прозрачнее хорошего стекла. Ширина наиболее плотной его части около 5200 км., но эта оценка условна, так как пылевая материя присутствует глубоко внутри кольца и доходит, видимо, до верхних этажей атмосферы Юпитера.


Слабый свет, рассеиваемый кольцом в направлении к Солнцу и Земле, удаленность Юпитера и положение экватора, близкое к плоскости эклиптики, делают его наблюдение с Земли практически невозможным — наблюдатель фактически находится в плоскости кольца. Предполагают, что именно Метис и Адрастея поставляют кольцу микропылинки. Эти же спутники своим гравитационным воздействием формируют резкую внешнюю границу кольца.


Глава VIII


САТУРН


Характеристики Сатурна


Большая полуось орбиты

9,537 а.е.=1427 млн. км.


Сидерический период обращения («год»)

29,46 лет.=10759 сут.


Синодический период (средний)

1,04 лет.=378 сут.


Сидерический период вращения («звездные сутки»)

0,444 сут.=10ч. 40мин.


Наклонение орбиты к эклиптике

2,48°.


Эксцентриситет орбиты

0,057.


Средняя орбитальная скорость

9,7 км/с.


Наклон экватора к орбите

26,7°.


Масса

5,69×10

26

кг.=95,16М

⊕

.


Средняя плотность

0,69 г/см

3.


Экваториальный радиус R

e

(на уровне давления 1 бар)

60268 км.=9,46R

⊕

.


Полярный радиус R

p

(на уровне 1 бар)

54364 км.=8,53R

⊕

.


Сжатие, (R

e

—R

p

)/R

e

1/10,2.


Ускорение силы притяжения на экваторе

10,44 м/с

2

(ур. 1 бар).


Ускорение свободного падения на экваторе

8,96 м/с

2

(ур. 1 бар).


Скорость ускользания (2-я космическая)

35,5 км/с.


Безразмерный момент инерции (в единицах MR

2

)

0,210.


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,342.


Геометрическое альбедо (визуальное)

0,47.


Поток солнечного излучения

14,9 Вт/м

2.


Полное поглощаемое излучение

4,30×10

10

МВт.


Эффективная температура

81 К.


Состав атмосферы (в долях объема)

Н

2

(96,3%), Не(3,3%).


Магнитный момент диполя

0,21 Гс R

e

3

.


Наклон оси дипольного компонента к оси вращения

< 1°.


Количество спутников

60.


Сведения о Сатурне получены как наземными средствами, так и с помощью американских космических зондов, которых уже было четыре: из них три пролетных — «Пионер-Сатурн» (он же «Пионер-11», 1979), «Вояджер-1» (1980) и «Вояджер-2» (1981); а также один орбитальный — «Кассини-Гюйгенс» (NASA/ESA/ISA), достигший системы Сатурна летом 2004 г. Наиболее существенные результаты дали «Вояджеры» и «Кассини».

Сатурн — планета-гигант, по размеру лишь немного уступающая Юпитеру и обладающая большим сходством с ним. Объем Сатурна в 800 раз больше объема Земли. Период вращения в области широт около 40° составляет 10ч. 39,4мин. В экваториальной зоне он меньше (10ч. 12мин.), а в полярных областях, выше 57°, он превышает 11ч. Быстрое вращение приводит к сильному сжатию планеты: отношение полярного радиуса к экваториальному равно 0,9. Экваториальный диаметр составляет 120540 км. по верхней границе облачного слоя. Средняя плотность Сатурна рекордно низка — ниже плотности воды.

Главное украшение Сатурна — его кольца: внешнее А, среднее В и внутреннее С. Впервые их заметил Галилей в 1610 г. Но из-за несовершенства своего телескопа он не смог распознать кольцо и решил, что видит спутники. Честь открытия колец Сатурна принадлежит Гюйгенсу. Это произошло через 46 лет после наблюдений Галилея, в 1656 г.


Пояса, зоны, вихри и ветры

Хотя Сатурн весьма удален от Земли, он представляет собой один из красивейших небесных объектов даже при наблюдениях с телескопом умеренного размера. Подобно Юпитеру, Сатурн имеет развитую систему поясов и зон. Однако они никогда не бывают видны так ясно, как полосы на Юпитере. Если добавить к этому вдвое большую удаленность Сатурна, трудности исследования планеты с Земли становятся очевидными. И все же астрономам иногда удавалось проследить движение каких-то малоконтрастных пятен, что и позволило найти зональные периоды вращения Сатурна. Но с борта космического зонда видно намного больше подробностей. «Вояджеры-1 и -2» прошли в 1980-81 гг. мимо Сатурна с интервалом в девять месяцев, что позволило проследить за изменением деталей на диске планеты.

Поверхность облачного слоя, которая плохо различалась в 1980 г., в следующем году стала видна довольно ясно. Определяющую роль в этом могла сыграть смена сезонов на Сатурне, где началась весна в северном полушарии. Поскольку наклон экватора к плоскости орбиты составляет у Сатурна 29°, смена времен года там должна приводить к большим, чем на Земле, перепадам притока солнечного тепла в каждом из полушарий. Уже на расстоянии шести недель пути на снимках «Вояджера-2» можно было различить циклонические образования в различных районах планеты. Последовательные снимки помогли детально проследить развитие циклонов.


По аналогии с Большим Красным Пятном Юпитера одно из найденных на Сатурне гигантских овальных образований назвали Большим Коричневым Пятном (БКП). Метеорология Сатурна и Юпитера сходна не во всем. В отличие от антициклонических деталей Юпитера, не поднимающихся выше широт 60°, пояса и зоны Сатурна доходят до очень высоких широт. БКП Сатурна лежит всего в 16° от северного полюса. В отличие от Юпитера, атмосферные потоки, движение которых заметно на фоне облачного слоя и чаще всего направлено к востоку, наблюдаются на очень высоких широтах, вплоть до 78°. Скорость таких потоков достигает 600 м/с. Рядом с ними можно видеть коричневые пятна — это ураганы, причем наибольшие из них по диаметру достигают половины земного шара. Скорость на периферии ураганов сравнительно невелика, около 30 м/с. Из-за существенно большей скорости потоков, чем на Юпитере, эти ураганы быстро затухают, врастая в потоки и обмениваясь с ними энергией.

Небольшой приток солнечного тепла не мог бы обеспечить активную динамику атмосферы Сатурна. Как и на Юпитере, образование вихрей определяется источниками энергии, упрятанными глубоко в атмосфере. Подробные снимки районов умеренных широт показывают большое число местных ураганов с диаметром вихрей 1000 км. и более. Скорость зональных ветров на Сатурне очень велика. В районе экватора она достигает 400—500 м/с, что в 4 раза выше, чем на Юпитере. Однако на широтах 30° и выше скорости меньше, имеют периодический широтный характер и не превышают 100 м/с. По-видимому, время жизни крупных вихрей в атмосфере Сатурна невелико по сравнению с Юпитером, так как сильные ветры разрушают вихри. По данным «Вояджеров» широтное распределение ветров в южном полушарии зеркально повторяет это распределение в северном полушарии. Тем не менее, различие атмосферной динамики двух полушарий становится заметным в их полярных областях.

Протяженный облачный слой и быстро нарастающая в глубину плотность атмосферы значительно ослабляют солнечный свет.

На глубине 350 км. под поверхностью облаков может быть темно. Реальная освещенность зависит от того, каковы характеристики рассеяния света в атмосфере Сатурна. Поскольку предполагается, что структура и состав облачного слоя Юпитера и Сатурна сходны, нижняя граница облаков находится в пределах одной и той же температуры — около 150 К. Но из-за вчетверо меньшего количества тепла, получаемого на единицу площади, верхняя граница облачного слоя Сатурна не совпадает с ее положением у Юпитера. В отличие от Юпитера, спектральные полосы аммиака у Сатурна выражены слабо. Это связано с низкими температурами в надоблачной атмосфере, где пары аммиака вымораживаются. Образующийся именно здесь довольно плотный слой тумана скрывает структуру поясов и зон, которая так хорошо видна на Юпитере.

За спутниками Сатурна тянутся хвосты из нейтральных и ионизованных молекул и атомов газа, образующие гигантские торы на орбитах. Один из таких торов связан с атмосферой Титана — крупнейшего спутника Сатурна и второго по размеру и массе среди спутников планет (на первом месте спутник Юпитера Ганимед, и оба они крупнее Меркурия!).

Поверхность Титана, диаметр которого 5152 км., неразличима сквозь плотную атмосферу, имеющую давление у поверхности 1,5 бара и состоящую на 98,4% из азота и на 1,6% из метана.


В ней также обнаружено небольшое количество этана, пропана, ацетилена, аргона, окиси и двуокиси углерода, гелия и других газов. Температура верхних слоев атмосферы Титана близка к —120°С, а температура поверхности —179°С. Туман в атмосфере рассеивает и отражает солнечные лучи, создавая «антипарниковый эффект», снижающий температуру поверхности. Днем поверхность освещена не ярче, чем в сумерки на Земле. Поверхность Титана состоит изо льда с примесью силикатных пород. Средняя плотность спутника 1,88 г/см3. Магнитного поля у Титана нет. Сила тяжести там в 7 раз слабее земной, так что, учитывая высокую плотность воздуха, человек на Титане, вероятно, смог бы летать, укрепив на руках крылья.

Измеренная яркостная температура внешнего слоя облаков на Сатурне составила всего 80—90 К, а эффективная температура планеты 95 К. Плотность потока солнечной энергии, достигающий Сатурна, в 91 раз меньше, чем на Земле. Солнце на небе Сатурна выглядит совсем маленьким диском, почти в 10 раз меньшим, чем при наблюдении с Земли. С учетом альбедо, несмотря на огромные размеры Сатурна, он получает в 2,7 раз меньше энергии, чем наша маленькая Земля. На этом фоне весьма заметны собственные источники энергии: тепловой поток от Сатурна, по разным оценкам, в 1,9—2,2 раза превышает поток энергии, получаемой от Солнца. Отчасти это реликтовое тепло, но не только оно.

В качестве дополнительного источника энергии называют гравитационную дифференциацию. Согласно одной из наиболее реалистичных гипотез, более тяжелый гелий медленно погружается к центру планеты, а водород всплывает; это движение вызывает выделение тепла, в конечном счете излучаемого в космос. Эта гипотеза находит подтверждение: в атмосфере Сатурна содержится 94% водорода (по объему), а гелий составляет почти все остальные 6%. Напомним, что в атмосфере Юпитера гелия около 11 %. Если средний состав обеих планет одинаков, такое различие действительно может указывать, что значительная доля гелия на Сатурне «утонула». Схема внутреннего строения Сатурна приведена на рис. в разделе «Юпитер».


Радиоисточник у 80°с.ш. Магнитосфера Сатурна

Хотя физические процессы на планетах-гигантах подчиняются общим законам физики, но многие обнаруженные явления зачастую надолго остаются необъясненными. Среди них — особенности магнитного поля Сатурна, «споки» на кольцах и необычные источники радиоизлучения.

Одна из загадочных находок, относящихся к самой планете, — неизвестный источник радиоизлучения, наблюдавшийся с «Вояджера-1». В одном из экспериментов было обнаружено изменяющееся радиоизлучение, исходящее откуда-то из области высоких широт Сатурна. Излучение принималось в широкой полосе частот, причем максимальная мощность приходилась на 175 кГц. Так как приемное устройство имело всенаправленную антенну, указать точное направление на источник не удалось. И все-таки была намечена длинная полоса, около 25000 км., в пределах которой должен находиться источник. Вторую такую же полосу дали измерения «Вояджера-2». Их пересечение указало на положение источника: у 80-й северной параллели. Оказалось, что он излучает сравнительно короткий, весьма мощный импульс с периодом повторения, очень близким к 10ч. 39,4мин., т.е. один раз за сатурнианские сутки, причем излучение возникает именно в тот момент, когда источник проходит через полуденный меридиан, что весьма напоминает сигнал службы времени!

Не следует, конечно, понимать это так наивно. Подобно радиоисточнику на орбите спутника Юпитера Ио, излучение радиоисточника на Сатурне регистрируется с достаточно высокой, но не 100%-ной вероятностью, хотя и более высокой, чем у Ио. По характеру излучения удалось понять, что размер источника на Сатурне достаточно мал. За прошедшие 20 лет найти убедительную разгадку природы этого излучения не удалось. Теория могла бы подсказать ответ, если бы магнитное поле Сатурна имело более сложный характер. Но поле почти дипольное, гармоники высшего порядка (в отличие от Юпитера) невелики. Период вращения района источника также составляет 10ч. 39,4мин. Поверхности в земном смысле у Сатурна нет, это газо-жидкая планета. С чем связан источник радиоимпульсов, остается неизвестным. Отмечается странное совпадение: именно в этой точке ультрафиолетовый спектрометр «Вояджера-1» заметил полярное сияние в виде кольца.

Зарегистрированы и другие источники радиошумов внутри магнитосферы Сатурна, но они связаны не с самой планетой, а с плазменными торами на орбитах спутников. За спутниками Сатурна тянутся хвосты из нейтральных и ионизованных молекул и атомов газа. Вероятно, один из источников такого тора — атмосфера Титана. Этот тор занимает пространство между орбитами Титана и Реи, более полумиллиона километров. Он состоит в основном из нейтрального водорода. Плазменный тор охватывает спутники Энцелад, Тефия и Диона. Магнитосфера взаимодействует с заряженными частицами и заставляет тор вращаться вместе с нею. Центробежные силы стягивают нейтральный газ и плазму в диск, расположенный в плоскости колец, отбрасывая более тяжелые ионы на периферию.

Магнитосфера Сатурна значительно отличается от магнитосферы Юпитера. Напряженность магнитного поля планеты на уровне видимых облаков на экваторе составляет чуть больше 0,2 Гс. (на поверхности Земли 0,35 Гс.). Но магнитный момент Сатурна гораздо больше, чем у Земли, из-за объема планеты. Магнитное поле Сатурна имеет уникальный характер.

Сравнительно недавно удалось найти некоторые аналитические решения для механизма возбуждения магнитного поля планет, которые доказали свою работоспособность на примерах Земли, Меркурия и Юпитера. Для возбуждения поля необходимым условием был угол около 10—12° между осью вращения планеты и осью магнитного диполя. Именно таковы углы между этими осями у перечисленных планет. Но у Сатурна ось вращения до долей градуса совпадает с осью диполя. Поэтому сразу же возникла необходимость пересмотра теоретических представлений.

В случае Сатурна поле создается более глубокими частями планеты, чем у Юпитера. Направление поля у обеих планет одинаково и противоположно направлению поля Земли. Магнитосфера Сатурна имеет более правильный и симметричный вид, чем весьма протяженная и сложная по форме магнитосфера Юпитера. Ударная волна, где газодинамическое давление солнечного ветра уравновешивается упругостью магнитосферы, с дневной стороны находится примерно на расстоянии 35 Rс (радиусов планеты). С ночной стороны магнитосфера простирается на огромные расстояния. Радиационные пояса имеют правильную форму и состоят из нескольких характерных зон, образующих типичную тороидальную форму с внешним радиусом 20—22 Rс.

В радиационных поясах имеются пустые полости, «очищенные» от заряженных частиц спутниками и кольцами Сатурна. Особенно эффективны в этом отношении кольца, так как энергичные частицы, путешествующие вдоль магнитных силовых линий, легко захватываются огромной площадью материала колец. Вблизи колец концентрация частиц оказалась ничтожной. Вся зона вокруг колец пуста. Сами кольца, вероятно, выделяют нейтральный водород. Приборы зарегистрировали его ультрафиолетовое свечение.


В результате Сатурн создает в радиодиапазоне куда меньше шумов, чем можно было ожидать, исходя из сходства с Юпитером. Тем не менее, взаимодействие плазменных торов с магнитосферой и со спутниками создает радиоизлучение, которое принимали зонды. Всплески с максимумами на частоте в несколько килогерц принимались с орбит Дионы и Мимаса. Но особенно мощные импульсы возбуждаются неизвестным механизмом, связанным с кольцами.


Беспокойные кольца

В 1980 г., когда Земля проходила через плоскость колец Сатурна, впервые удалось наблюдать с Земли кольцо Е в виде слабого повышения яркости на расстоянии 80 тыс. км. от внешнего края наружного кольца А. Такие прохождения повторяются через каждые 14—15 лет (экватор Сатурна наклонен к плоскости орбиты на 26°45'). Это редкое явление наблюдалось в 1966 г., а затем в конце 1979 и начале 1980 гг. — тогда Земля прошла через плоскость колец дважды: 27 сентября 1979 г. и 12 марта 1980 г. Повернутые к Земле ребром кольца почти не видны; астрономы используют эти моменты для поиска слабых объектов вблизи Сатурна.


Рис. Кольцо Е, вдоль которого движется Энцелад (он виден как яркая точка в середине кольца). Этот уникальный спутник демонстрирует активный криовулканизм, результатом которого как раз и является кольцо Е: водно-ледяные фонтаны спутника выбрасывают часть вещества на орбиту. Когда «Кассини» прибыл в систему Сатурна, он обнаружил, что окрестности планеты заполнены атомами кислорода. Тогда ученые не имели представления, откуда берется кислород. И только теперь стало ясно, что Энцелад выбрасывает молекулы воды, которые расщепляются солнечным ультрафиолетом на кислород и водород. При этом за самим Энцеладом тянется шлейф из заряженных частиц.


Мы уже говорили о резонансах и соизмеримостях в движении планет. Еще более наглядно резонансы выражаются в движении частиц, образующих кольца планет. Под действием резонансов со спутниками планеты в кольцах возникают сгущения, разрежения и щели («деления»), формируются внешние и внутренние границы колец и даже происходит сортировка их материала.

Известная деталь в кольце Сатурна — деление Кассини — образована гравитационным влиянием спутника Мимас. Это деление носит имя астронома XVII в., который одним из первых отметил его существование. Орбитальный период частиц кольца на этом расстоянии от центра Сатурна составляет точно половину периода обращения спутника. Под влиянием Мимаса в движении частиц возникают возмущения, которые в конечном счете выражаются в образовании щели между кольцами А и В. Возмущения запрещают частицам перемещаться из одного кольца в другое, образуя так называемый резонансный барьер. Но не только резонансы определяют движение частиц кольца.

Снимки колец, сделанные «Вояджером-1», поставили много вопросов. Поэтому решено было сосредоточить усилия «Вояджера-2» на главных проблемах, связанных с динамикой колец, с делением Кассини и странными радиальными образованиями и пятнами на кольце В, получившими название «споки» (английское spoke значит «спица колеса»).

Кольца расположены в таком порядке от планеты: D, С, В, А, F, G, Е. Три основных кольца видны даже в небольшой телескоп. Новые кольца D и G, (открытые «Вояджерами») наблюдаются в определенных ракурсах. Кольцо D очень неплотное и доходит, по-видимому, до верхних слоев атмосферы, как у Юпитера. Невидимое оптическими приборами самое внешнее кольцо Е регистрировалось устройствами, реагирующими на поля и заряженные частицы.


Нельзя сказать точно, сколько колец у Сатурна. По снимкам «Вояджера-1» их насчитали несколько сотен. А измерения «Вояджера-2», пролетевшего ближе, говорят о тысячах колец. Тем не менее, выяснилось, что в качестве постоянных деталей следует все-таки рассматривать более или менее крупные образования. Причин две. Во-первых, есть основания считать, что очертания многих колец, даже больших, непостоянны. Во-вторых, кольца состоят из достаточно больших глыб и обломков, что не всегда позволяет точно указать, где кончается одно кольцо и начинается другое. Это же замечание относится и к толщине кольца: оно очень тонкое, но не может быть тоньше размера самых крупных включений.

Деление Кассини, которое считалось местом, свободным от материала колец, на самом деле заполнено веществом с другой степенью измельченности и меньшей концентрацией частиц. Это установлено путем наблюдения колец с теневой стороны. Благодаря заметному поглощению света, плотные кольца В и А в контражуре выглядят темными. Если бы промежутки между ними были пустыми, то и они были бы темными. При ширине деления 4500 км. в нем видно не менее пяти широких колец, расположенных вплотную друг к другу.

После первых пролетов научных зондов вблизи Сатурна радикально изменились не только представления о делении Кассини. В момент сближения с планетой фотометр «Вояджера-2» с очень высоким разрешением (до 150 м. на кольцах) был направлен на яркую звезду δ Sco, и его поле зрения, благодаря движению аппарата, пересекло кольца. В результате, получился фотометрический разрез части кольца А вблизи деления Энке. На нем легко отождествить сравнительно крупные части кольца; но при высоком разрешении уже становится трудно указать, где проходит граница отдельных узких «колечек». Вполне вероятно, что многие минимумы кривой определяются отдельными глыбами и обломками. Их типичный размер составил 10 м. в кольце А, 8 м. в делении Кассини и 2 м. в кольце С. Разумеется, в каждом из них есть фрагменты и других размеров — от пыли до крупных блоков. Природа материала колец та же, что и у спутников Сатурна, — слегка загрязненный водяной лед и снег.

Очень резкими оказались внешние края колец А и В. Там резонансы проявляются весьма остро. Удалось оценить толщину края кольца А: она не превышает 150 м. Даже если предположить, что в какой-то части толщина колец достигает 0,5 км., их пропорциональной моделью будет диск толщиной в 0,5 мм. и диаметром 270 м. (круг из плотной бумаги диаметром в четверть километра!).

Интереснейшей теоретической проблемой является стабильность колец. Взаимные столкновения частиц должны переводить их с орбиты на орбиту, создавая эффект вязкости. Благодаря этому внутренние части кольца должны приближаться к планете, а наружные — удаляться. В результате жизнь колец, в космогонических масштабах, должна быть очень короткой.

В последнее время появились работы, связывающие в единый процесс катастрофические столкновения комет или астероидов со спутниками планет-гигантов, последующее образование колец и их постепенное разрушение. При этом время существования колец действительно может быть очень коротким (на что, возможно, указывают кольца Урана). Эта идея получила наглядную поддержку благодаря происшедшему в 1994 г. столкновению кометы Шумейкеров-Леви-9 с Юпитером. Но сторонники классической концепции (противники идеи недавнего возникновения колец) возражают, и приводят свои аргументы, в том числе присутствие колец у других планет — Юпитера, Урана, Нептуна. Они считают, что правильнее исходить из того, что кольца планет существуют уже очень давно. Стало быть, какой-то механизм не дает им разрушаться. Однако сомнения в этом все крепнут. Все кольца (кроме колец Сатурна) выглядят слабыми следами когда-то существовавших настоящих колец. И если предположить, что из менее крупных обломков могли когда-то возникнуть и сами кольца Сатурна, то возникает вопрос, будут ли любоваться кольцами Сатурна наши далекие потомки?


Кольцо F, споки и новые идеи

Очертания колец постоянно меняются. Особенно наглядно это показало кольцо F, открытое еще «Пионер-Сатурном» (1979 г.). Эта тонкая светлая полоска шириной от 50 до нескольких сотен километров находится на расстоянии 4000 км. от края кольца А (или в 140180 км. от центра планеты). В первых сообщениях указывалось, что по неизвестным причинам линия кольца выглядит прерывистой. Когда были получены снимки «Вояджера-1», выяснилось, что кольцо свито из двух тонких «шнуров» с шагом около 7000 км. Среди различных объяснений природы кольца F была гипотеза о том, что структура его определяется гравитационным воздействием небольших спутников, орбиты которых проходят вдоль кольца.


Рис. Спутник Прометей создает сложный узор в кольце F.


Но когда «Вояджер-2» передал свои снимки, кольцо F было ровным, лишь один раз знакомые скрученные шнуры снова появились на экране. Когда и как изменился вид кольца F, остается неизвестным. Считается существенным, что кольцо действительно находится между двумя спутниками, которые получили неофициальное название «овчарки» или «сторожевые собаки». Это спутники Прометей и Пандора, которые движутся, обгоняя друг друга каждые 25 дней. Предполагалось, что скручивание кольца происходит у точки соединения обоих спутников. Но это не подтвердилось; по-видимому, их взаимодействие с кольцом F сложнее. Анализ его структуры методом фотометрического разреза указал на присутствие примерно десяти слабых компонентов там, где телевизионная камера показывала три компонента.

Еще одно интересное образование — тонкое эксцентрическое кольцо в делении Энке. С одной стороны планеты кольцо почти касается внутренней границы деления, с другой — проходит по его середине. Многие «колечки» имеют такой же несимметричный вид.


Гипотезы о структуре колец

Еще несколько лет назад казалось, что теория резонансов объясняет структуру колец полностью. Затем, когда кольца увидели вблизи, предполагалось, что если будет точно известно положение всех отдельных колец и делений (щелей), задача будет решена в терминах резонансов. Но эта работа оказалась бесполезной и была прекращена. Резонансов не хватает на бесчисленные «колечки» и щели, которых, вероятно, десятки тысяч.

По-видимому, изменение формы некоторых из колец происходит постоянно. Предложено несколько новых гипотез о механизмах работы колец. Согласно одной из них, в кольца как бы вмонтированы небольшие спутники, размерами около 30 км. Они создают возмущения и образуют щели, которые по ширине могут намного превосходить сами спутники. Однако самый тщательный анализ показал, что в 90% колечек таких спутников нет, а там, где есть, они слишком малы, чтобы вызвать ожидаемые явления.

Согласно другой гипотезе, в кольцах распространяются волны плотности, которые и определяют многообразие их динамики. Есть интересное наблюдение, которое, возможно, имеет отношение к возникновению волн плотности. Если совместить изображения двух противолежащих сторон колец, разделенные углом 180°, возникает странное несоответствие: при совпадении внутренней границы кольца В и внешней кольца А внутренняя граница деления Кассини на двух изображениях расходится на 50 км. Это объясняется гравитационным резонансом с Мимасом. Внешний край кольца В прецессирует с периодом 22,6ч. (период обращения Мимаса), за счет чего в кольцо накачивается энергия, вызывающая возмущение. Большая ось эллипса, образованного кольцом В, направлена под углом 90° к Мимасу. Это было интересной находкой, так как противоположно хорошо известным приливным явлениям в системе Земля-Луна.


Споки

О радиальных деталях колец — споках — заговорили после снимков «Вояджера-1». Однако изучение исторического материала показало, что упоминания о них встречались еще в прошлом веке, когда наиболее зоркие астрономы изображали характерные зубцы на своих зарисовках. Типичные споки показаны на рис., где они видны как темные образования на фоне средней части кольца В. Споки могут быть светлыми или темными, это зависит от направления освещения: они выглядят темными, если смотреть на них от источника света (т.е. плохо отражают) и светлыми — при наблюдении в сторону источника (т.е. хорошо рассеивают свет вперед), что говорит об очень малых размерах частиц. Споки наблюдались даже на теневой стороне колец, по-видимому, в свете, рассеянном Сатурном. Они не подчиняются кеплеровскому распределению скоростей в кольцах и отстают от их вращения, двигаясь с угловой скоростью магнитосферы. Природа споков остается совершенно неясной. Установлено, что они развиваются быстро, за время от 15 до 60 мин; и при этом успевают распространиться на расстояние до 12000 км. в радиальном направлении, что требует скорости от 3,5 до 15 км/с. Высказано предположение, что это тонкая ледяная взвесь или пыль, которую сила электростатического взаимодействия удерживает над плоскостью колец.


В кольцах действительно наблюдаются электрические явления, вероятно, связанные с механизмами разделения электронов и ионов, либо с электризацией соприкасающихся частиц. Теория предсказывает, что заряды, которые могут накопиться в кольцах благодаря различным механизмам, например трибоэлектризации, очень значительны. И действительно, оба «Вояджера» отметили мощные электромагнитные импульсы, источники которых, как предполагалось, находились в кольцах, а импульсы появлялись во время электрических разрядов, имевших мощность в 104—105 раз больше, чем у земных молний.

Но истина оказалась сложнее всех гипотез. Предположения о сверхмолниях в кольцах были основаны на следующих соображениях. Во-первых, Сатурн обладает сравнительно плотной ионосферой, которая, согласно теории, не должна пропускать сигналы от планеты в диапазоне частот приемников «Вояджера». Во-вторых, периодичность, с которой повторялись короткие всплески в диапазоне 20 кГц—40 МГц, составляла 10ч. 10мин. На Сатурне нет, на первый взгляд, объектов с таким периодом вращения — он на полчаса короче периода магнитосферы. Наконец, было просто непонятно, к чему на Сатурне можно отнести огромную мощность этих коротких импульсов, достигавшую 104 МВт. при длительности от 15 до 400 мс.

И все-таки источник оказался на Сатурне. Он связан с быстрым струйным течением в экваториальной зоне, направленным к востоку. Его скорость достигает 500 м/с. В своем движении оно обгоняет вращение планеты, поэтому период повторения положения облачной структуры укорачивается и составляет 10ч. 10мин. Предполагается, что в этой зоне и образуются сверхмолнии, излучение которых в радиодиапазоне принималось на аппаратах. Излучающая зона вытянута вдоль экватора на 60° (около 25000 км.). Кстати, интервал, в течение которого она полностью находится на невидимой стороне планеты, длится 3ч., а для подозревавшейся части колец — только 2ч. Это тоже довод в пользу планеты, а не колец, так как перерывы в приеме импульсов на «Вояджерах» составляли по 3ч. (через каждые 7ч. приема). Кстати, похожие электромагнитные импульсы принимались при сближении с Юпитером и, кажется, они как-то связаны с Большим Красным Пятном.

С прозрачностью ионосферы Сатурна для радиоволн положение не совсем ясное, но установлено, например, что в тени колец и на ночной стороне планеты прозрачность быстро увеличивается, и появляются более низкие частоты.

Выше говорилось о «службе времени» на Сатурне. Оказалось, что электромагнитная активность присуща вообще всему меридиану, который проходит через таинственный радиоисточник. Но и это еще не все. Выход этого меридиана из-за утреннего терминатора определяет… появление Споков на кольцах. Как и чем связаны «электрический» меридиан (точнее, сектор вблизи меридиана) и споки, остается загадкой. Но их появление (меридиан на терминаторе — споки на кольце) коррелировано в высокой степени. А прохождение этим меридианом полудня соответствует мощным всплескам низкочастотного радиоизлучения.


Глава IX


УРАН


Характеристики Урана


Большая полуось орбиты

19,218 а.е.=2875 млн. км.


Сидерический период обращения («год»)

84,02 лет.=30 689 сут.


Синодический период (средний)

1,01 лет.=370 сут.


Сидерический период вращения («звездные сутки»)

0,718 сут.=17ч. 14мин.


Наклонение орбиты к эклиптике

0,8°.


Эксцентриситет орбиты

0,046.


Средняя орбитальная скорость

6,8 км/с.


Наклон экватора к орбите

97,8°.


Масса

8,68×10

25

кг. =14,5 М

⊕

.


Средняя плотность

1,29 г/см

3

.


Экваториальный радиус R

e

(ур. 1 бар)

25559 км.=4,01.


Полярный радиус R

p

(ур. 1 бар)

24973 км.=3,92.


Сжатие, (R

e

—R

p

)/R

e

1/43,7.


Ускорение силы притяжения на экваторе

8,87 м/с

2

(ур. 1 бар).


Ускорение свободного падения на экваторе

8,69 м/с

2

(ур. 1 бар).


Скорость ускользания (2-я космическая)

21,3 км/с.


Безразмерный момент инерции (в единицах MR

2

)

0,225.


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,30.


Геометрическое альбедо (визуальное)

0,51.


Визуальная звездная величина

5,7—5,9

m

.


Поток солнечного излучения

3,71 Вт/м

2

.


Полное поглощаемое излучение

8×10

8

МВт.


Эффективная температура

58 К.


Состав атмосферы (в долях объема)

Н

2

(83%), Не(15%).


Магнитный момент диполя

0,228 Гс

Re3

.


Наклон оси дипольного компонента к оси вращения

58,6°.


Количество спутников

27.


Уран и Нептун — близнецы, далекие планеты-гиганты, находятся на периферии Солнечной системы. Обе планеты очень трудны для наблюдений: из-за удаленности угловые диаметры их дисков не превышают 4". Различить какие-либо подробности на таком маленьком диске с Земли почти невозможно. «Вояджер-2» сблизился с Ураном 24 января 1986 г. и провел запланированную программу исследований планеты, ее спутников и колец.

Открытый У. Гершелем в 1781 г. Уран относится к наиболее далеким планетам. Радиосигналы «Вояджера» шли от него до Земли 2ч. 40мин. Из-за сильного поглощения в красной части спектра планета имеет зелено-голубой цвет. Поглощение вызывают полосы метана, который в небольшом количестве присутствует в атмосфере. Различить на маленьком диске какие-либо детали очень сложно. История наблюдений Урана полна противоречивых результатов. Иногда наблюдатели сообщали о слабых полосах, подобных зонам и поясам Сатурна, но зачастую не находили никаких деталей. Имеются сообщения, что детали появлялись и исчезали в течение нескольких месяцев.

Были попытки связать видимость деталей с очень длительными сезонными изменениями на Уране. Плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты на 82° (с учетом обратного направления вращения планеты этот угол записывают как 98°). Такое положение полярной оси приводит к многим особенностям планеты. Уран вращается, как говорят, «лежа на боку». Наклон приходится считать большим 90°, чтобы при взгляде на тот полюс, наклон которого указан, направление вращения Урана было таким же, как у других планет — против хода часовой стрелки (по этой же причине наклон оси вращения Венеры указывается как 177°). Прежде полюс Урана, соответствующий такому «правильному» направлению вращения, называли северным. Но поскольку он обращен в южную полусферу эклиптики, то решением MAC его переименовали в южный (при этом в жертву был принесен принцип направления вращения). В 1985 г. этот южный полюс Урана был обращен к Солнцу и Земле; в те годы мы видели Уран, вращающимся против часовой стрелки. В 1990-х Солнце освещало средние южные широты планеты. (См. http://haydenplanetarium.org/resources/ava/page/ index.php?file=P0418uranseas или http://haydenplanetarium.org/ movies/ava/P0418uranseas.mpg). В 2007 г. к Солнцу и Земле обращена экваториальная область Урана, так что в ближайшие 20 лет в сторону Солнца будет постепенно поворачиваться северный полюс, а видимое с Земли вращение планеты будет происходить по часовой стрелке.


Рис. Спутники Урана.


«Лежачее» положение оси вращения приводит к максимально возможным сезонным изменениям освещенности. При орбитальном периоде 84 года полярные день и ночь длятся по 14 лет на широте 30°, по 28 лет — на 60° и по 42 года на полюсах. Однако из сезонных эффектов (если они действительно сезонные) пока установлена только одна зависимость: за 20 лет, в течение которых центр видимого с Земли диска планеты смещался от экватора к полюсу, радиояркостная температура видимого полушария возросла вдвое, с 140 до 290 К.


Уран по наблюдениям «Вояджера-2»

До сближения «Вояджера» с Ураном оставалось неизвестным, как влияет необычное положение полярной оси на циркуляцию атмосферы. Телекамеры зонда задолго до сближения стали передавать на Землю изображения южного полушария, — ровного голубого диска, более темного к краям, без каких-либо заметных деталей. Сплошная дымка (скорее всего, из кристалликов замерзшего метана) полностью закрывает нижние слои облаков. Дымка чуть светлее и краснее у полюса.

В январе 1986 г. все же удалось обнаружить четыре очень слабых голубых облачка на широтах от 30° до 70°ю.ш. Они перемещались в долготном направлении и описывали концентрические окружности вокруг полюса. Отсюда был сделан вывод, что циркуляция атмосферы на Уране определяется силой Кориолиса (инерционной природы), а не притоком солнечной радиации. Так же организована циркуляция и в атмосферах других планет. Найденный по движению облачных образований период вращения атмосферы зависит от широты и составил 16,2ч. у 33°ю.ш. и примерно 14ч. у 70°ю.ш. Чтобы обнаружить эти образования, понадобились всевозможные ухищрения, например исключение потемнения к краю, так как контрасты, с которыми были видны облака, тонут в нормальном распределении яркости по шару Урана. Белая полоска на самом лимбе — надоблачный туман из кристаллов метана.

За счет циркуляции атмосфера очень эффективно выравнивает температуру на всех широтах, в том числе и в темном полушарии. Измерения приходящих от планеты тепловых потоков показали, что в подоблачной атмосфере, уже на уровне 2,3 бар, температура достигает 100 К. Выше, на уровне давления 0,6 бар, температура на экваторе, а также у светлого и темного полюсов одинакова и составляет 64 К, а в средних широтах — градуса на 2 ниже. Минимальная температура (53 К) наблюдалась на уровне давления 0,1 бар (выше видимой поверхности облаков). Еще выше температура снова возрастает, достигая 750 К на высоте до 6000 км. над облаками. Такую высокую температуру экзосферы, состоящей в основном из водорода, нельзя объяснить только излучением Солнца, которого на весь огромный диск планета получает в 140 раз меньше, чем маленькая Земля.

Если бы Уран и Нептун излучали только то тепло, которое они получают от Солнца, то их температура установилась бы на уровне 57 и 47 К соответственно. Такая температура называется равновесной. Но когда были проведены фактические измерения тепловых потоков, оказалось, что планеты имеют одинаковую эффективную температуру: 56—58 К. Это может означать только одно: Уран почти не имеет собственных источников энергии, а Нептун имеет, причем довольно мощные (подробнее об этом в следующем разделе). В результате Уран излучает столько же, сколько получает от Солнца, а Нептун — значительно больше. Некоторое различие есть и у Юпитера с Сатурном, но далеко не в такой мере. Если Уран имеет какие-то внутренние источники, они не превосходят 13% получаемого от Солнца тепла (а возможно, и меньше). С глубиной в атмосфере Урана температура растет, но медленнее, чем у Нептуна.

Низкое тепловое излучение Урана выделяет его из ряда других планет-гигантов. Предполагают, что у всех гигантов в результате происходящих при колоссальном давлении фазовых переходов водорода гелий становится нерастворимым в водороде и, как более плотный элемент, опускается к центру планеты, освобождая при этом значительную гравитационную энергию. Допустить, что для Урана этот механизм исчерпан, нельзя, так как соотношение гелий-водород у него такое же, как у Юпитера. Причина в чем-то другом.

Равенство температур у полюсов и экватора заставляет искать какие-то особые причины, определяющие метеорологию Урана. Одной из них может быть конденсация воды в атмосфере. На Земле конденсация влаги и выпадение осадков мало влияют на среднюю плотность атмосферы, изменяя ее не более чем на 2%. Но на Уране, где содержание паров воды, по-видимому, высокое, изменение плотности при конденсации паров может достигать 50%. Тогда движения в очень плотной атмосфере планеты становятся больше похожи на течения в земных океанах (которые вызываются изменениями солености воды).


Новые данные об Уране

В средних и высоких широтах атмосфера Урана вращается быстрее, чем недра планеты. Такое явление хорошо известно по атмосфере Венеры и носит название суперротации. Но относительно чего отсчитывать вращение планеты, если сама атмосфера занимает почти 2/3 ее радиуса? Здесь следует рассказать о внутреннем строении Урана.

Масса Урана была найдена методами наземной астрономии (по движению спутников планеты) и оказалась в 14,5 раза больше массы Земли. Средняя плотность составляет 1,29 г/см3, а ускорение свободного падения на уровне видимой границы облаков лишь чуть меньше земного. Сведения о внутреннем строении Урана долгое время опирались только на теоретические расчеты и аналогии с Юпитером и Сатурном. Последние, как выяснилось, вели к переоценке содержания гелия. К ревизии этих представлений привело открытие в 1977 г. (методами наземной астрономии) темных колец Урана, что имело важные последствия. С тех пор наблюдалось много покрытий звезд кольцами, благодаря чему удалось определить сферические гармоники J2 и J4 гравитационного поля планеты, описывающие его отличие от поля точечной массы или идеального шара. Еще один важный параметр — динамическое сжатие α=0,0114 был найден по наземным данным и результатам «Вояджеров», что позволило определить распределение масс в недрах планеты и скорость ее вращения. Полученный таким образом период вращения составил 16,2—16,4ч.

Самый надежный метод определения периода вращения — это измерение с космического зонда радиоизлучения магнитосферы планеты. Так удалось найти периоды вращения Юпитера (9ч. 55,5мин.) и Сатурна (10ч. 39,4мин.). Метод, по существу, дает период вращения магнитного поля. Но так как магнитное поле возбуждается достаточно глубоко в недрах, оно должно вращаться с тем же периодом, что и глубокие слои. Найденный таким образом период вращения Урана составил 17ч. 14,4мин.

Согласно современной модели, Уран имеет довольно большое ядро (около 0,3 радиуса планеты), построенное из тяжелых элементов — металлов и силикатов, а также «льдов» — метана, аммиака и воды, — трех соединений широко распространенных в космосе четырех элементов. Имеется в виду, что на уровне видимого облачного слоя у большинства гигантов эти соединения превращаются в лед. Ядро окружено толстой оболочкой из водорода и гелия с условной внешней границей около 0,7 радиуса планеты. Атмосфера Урана содержит 12% гелия (как у Юпитера), остальное — главным образом водород. Заметная составляющая Урана — это метан, до 2,3%. Но проблема отражательных свойств метана довольно сложна. С учетом этих сложностей содержание метана в газообразной фазе может быть значительно меньшим, на уровне десятых долей процента.


В атмосфере обнаружены также некоторые малые составляющие, в том числе ацетилен, образующийся при фотолизе метана. Когда зонд заходил за планету, на уровне давления 1,6 бар, глубоко под слоем дымки, радиометодами был обнаружен плотный облачный слой, включающий, по-видимому, кристаллы метанового льда.

Для образования метанового инея нужна низкая температура, присущая Урану и Нептуну. Вместе с тем в спектрах Урана не наблюдаются полосы аммиака, имеющегося в атмосфере Юпитера. Причина этого в низкой температуре видимых слоев атмосферы, где аммиак выморожен. Он может находиться в глубине атмосферы. Но в спектрах теплового радиоизлучения, исходящего именно из глубоких слоев атмосферы, полоса поглощения молекул NH3 вблизи длины волны 2 см. тоже довольно слабая. Среди других углеводородов предполагалось присутствие этана, имеющего характерную полосу 12,2 мкм. В излучении Урана она не найдена (хотя наблюдалась в тепловом излучении Нептуна). На Уране и Нептуне возможно существование облаков из конденсатов нашатырного спирта, что неудивительно, так как аммиак, если он присутствует в облачном слое, соседствует с большим количеством паров и конденсатов воды. По-видимому, облака Урана включают еще один слой — из инея сероводорода, расположенный сразу же под слоем метанового инея.

Постепенно выясняется, что по сравнению с Юпитером и Сатурном, Уран и Нептун обогащены более тяжелыми элементами, чем водород и гелий. Данные «Вояджера» показали, что наиболее близкие к наблюдениям результаты дает такая модель Урана, в которой над каменным ядром планеты сразу, без океана, начинается плотная атмосфера из перемешанных легких газов и «льдов». В верхней подоблачной части атмосферы может содержаться очень значительное количество воды и пара, но океана нет.


Магнитный «штопор» и строение недр

Магнитное поле Урана, его напряженность и структура относились к главным исследованиям «Вояджера». Но аппарат подходил все ближе к Урану, а никаких признаков поля не было. Лишь за пять дней до сближения удалось принять характерные всплески радиоизлучения, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с потоком заряженных частиц (и по которым был найден период вращения планеты.)

Магнитное поле обладает определенным давлением. Там, где оно уравновешивается газодинамическим давлением солнечного ветра, возникает возмущение электромагнитного поля, так называемая ударная волна. Зонд прошел все предсказанные положения ударной волны и пересек ее только за 10ч. до наибольшего сближения с планетой.

Поле Урана не строго дипольное: довольно сильны квадрупольная и октупольная составляющие. Предполагается, что высшие гармоники сильны из-за близости «составных частей» планетарного магнитного динамо к поверхности планеты. Скорее всего, это объясняется большим содержанием воды и аммиака, которые становятся проводящими при значительно меньших давлениях, чем водород и гелий на Юпитере.

Магнитосфера Урана простирается на 0,6 млн. км. и заполнена плазмой, образующей радиационные пояса, похожие на земные. На уровне видимой облачной поверхности (где давление около 0,6 бар) напряженность дипольного поля близка к земной: 0,23 Гс. Ось магнитного диполя на 59° наклонена к оси вращения и на 8000 км. смещена от центра к ночному (в 1986 г., т.е. к северному) полюсу. Положение полюсов диполя обратно земному, как у Юпитера и Сатурна. Комбинация сильного наклона диполя к оси вращения и наклона последней к орбите приводит к тому, что магнитосферный хвост Урана вращается в пространстве, подобно штопору.

Наглядную модель поля Урана можно представить, если вставить в мячик под углом 60° к горизонтали стержневой магнит и вращать мячик вокруг горизонтальной оси. С каждым оборотом направление поля в «магнитосфере» будет меняться дважды.


Существует несколько гипотез о природе такой необычной магнитосферы; в частности, предполагалось, что она связана с положением полярной оси. Но против этого имеется интересное возражение. По существу, необычно только положение полярной оси относительно Солнца. Поле возбуждается в глубоких слоях планеты, которые не могут «знать», где находится Солнце, так как приливные силы в теле Урана совершенно ничтожны.

В действительности, объяснения требует тот факт, что у Земли, Сатурна и Юпитера магнитные поля имеют четко выраженные два полюса, расположенные приблизительно на оси вращения планеты, а у магнитных полей Урана и Нептуна нет строгой дипольной структуры, и линия основных полюсов сильно наклонена к оси вращения: на Уране примерно на 59°, а на Нептуне — на 47°. Для объяснения этого явления предлагалось несколько механизмов, но ни один не получил признания. Однако в 2004 г. планетологи С. Стенли и Дж. Блоксем (Гарвардский университет, США) с помощью численной модели показали, что изменяя параметры внутренней структуры планеты, можно «создать» магнитное поле, подобное полям Урана и Нептуна.

Все модели генерации магнитных полей планет состоят из одних и тех же компонентов: они содержат зону электропроводящей жидкости и источник энергии, обеспечивающий движение этой жидкости. Например, модель поля Земли учитывает ее богатую железом жидкую внешнюю часть ядра (электропроводящая жидкость) и охлаждение поверхности (или радиоактивное нагревание внутренних слоев), стимулирующее конвективные потоки в недрах планеты. Другой необходимый элемент — вращение планеты, организующее движение жидкости: упорядоченное движение проводящей жидкости может возбудить крупномасштабное магнитное поле, а хаотическое движение жидкости его разрушает. И только когда все эти условия соблюдены — в модели или в планете, — движущаяся электропроводящая жидкость превращается в динамо-машину, генерирующую магнитное поле.

Для планет земного типа конвективные движения обычно моделируются в толстой вращающейся оболочке из жидкого проводника, которая окружает относительно небольшое твердое электропроводящее ядро. В результате получается дипольное магнитное поле, как у магнитного стержня, вытянутого вдоль оси вращения планеты. Эта ситуация характерна как для Земли, так и для гигантов — Юпитера и Сатурна. У них очень маленькое твердое ядро окружено толстым конвективным слоем металлического водорода. Но такая модель не может описать все особенности полей Урана и Нептуна.

Стенли и Блоксем построили численную модель динамоэффекта, воспроизводящую эти особенности. Они предположили, что вместо толстой конвективной оболочки и твердого ядра Уран и Нептун имеют тонкий внешний конвективный слой ионизованной жидкости, окружающий внутренний жидкий ионизованный «океан», лишенный конвективного движения. Эта модель основана на детальных расчетах, показавших, что при наблюдаемых низких тепловых потоках из недр этих планет конвективные движения могут возникать только в тонких приповерхностных слоях Урана и Нептуна, протяженность которых составляет 20—25% радиуса планеты.

В модели Стенли и Блоксема действительно генерируются поля, подобные наблюдаемым на Уране и Нептуне. К сожалению, в ближайшие годы не запланированы экспедиции к этим планетам, поэтому не будет возможности уточнить структуру их магнитных полей. Но важно уже то, что модель демонстрирует способность одного базового процесса — конвекции во вращающейся сферической оболочке с электропроводящей жидкостью — объяснять основные структуры всех планетных магнитных полей в Солнечной системе.


Кольца Урана

Солнечное освещение вблизи Урана в 370 раз слабее, чем вблизи Земли. Особенно это ощущалось при поиске и телевизионной съемке таких темных объектов, как кольца Урана. Их открыли в 1977 г. с самолетной астрономической обсерватории «Койпер» (NASA) при наблюдении покрытия Ураном звезды. У планеты оказалось 9 чрезвычайно узких, сравнительно плотных колец и ряд диффузных образований той же природы. Кольца находятся близко к планете, в пределах 25,5 тыс. км. над облачным слоем. Они оказались непохожими на кольца Сатурна: узкими с очень широкими интервалами между ними. Общей массы материала в кольцах хватило бы лишь на самый маленький спутник, диаметром 15 км. (у колец Сатурна объем материала в 1000 раз больше). Кольца Урана очень темные. Даже вблизи их можно видеть только при благоприятных условиях. Вся группа занимает интервал высот всего в 9,3 тыс. км. Самое широкое — внешнее асимметричное кольцо ε шириной 32 км., со средним радиусом 51150 км., самое узкое — третье снаружи кольцо γ шириной 600 м. Порядок колец следующий: ε, δ, γ, η, β, α, 4, 5, 6. В отличие от колец Сатурна и особенно Юпитера, кольца Урана почти не содержат пылевых частиц. Это глыбовые кольца с размерами отдельных элементов в несколько метров. Куски в 10 см. встречаются редко. Темный цвет их поверхности, по-видимому, определяется их положением в поясах заряженных частиц и постоянной бомбардировкой последними.


Частицы планетных колец, даже обращающиеся на одинаковом среднем расстоянии от центра, приобретают из-за возмущений небольшую относительную скорость и сталкиваются иногда между собой, что рано или поздно приводит к их разрушению.


Косвенно это подтверждает слабое, вероятно, остаточное кольцо Юпитера. Набравшись смелости, можно предположить, что есть даже историческое свидетельство разрушения колец. В своем дневнике наблюдений 16 марта 1789 г., спустя ровно 8 лет после открытия Урана, Гершель изобразил Уран с кольцами и приписал: «Кольцо короткое, не такое, как у Сатурна». Астрономы считают эту запись ошибкой: увидеть кольцо в его нынешнем виде Гершель не мог. Но вот что удивляет: кольцо у него показано в том ракурсе и на том месте, где оно действительно находилось в 1789 г. Не значит ли это, что кольцо обветшало всего за 200 лет?


Глава X


НЕПТУН


Характеристики Нептуна


Большая полуось орбиты

30,110 а.е.=4504 млн. км.


Сидерический период обращения («год»)

164,8 лет.=60 182 сут.


Синодический период (средний)

1,01 лет= 367 сут.


Сидерический период вращения («звездные сутки»)

0,6712 сут.=16ч. 07мин.


Наклонение орбиты к эклиптике

1,8°.


Эксцентриситет орбиты

0,009.


Средняя орбитальная скорость

5,4 км/с.


Наклон экватора к орбите

29,6°.


Масса

1,024×10

26

г.=17,15 М

⊕

.


Средняя плотность

1,64 г/см

3

.


Экваториальный радиус R

e

(ур. 1 бар)

24764 км.=3,89 R

⊕

.


Полярный радиус R

p

(ур. 1 бар)

24341 км.=3,82 R

⊕

.


Сжатие, (R

e

—R

p

)/R

e

1/58,5.


Ускорение силы притяжения на экваторе

11,15 м/с

2

(ур. 1 бар).


Ускорение свободного падения на экваторе

11,00 м/с

2

(ур. 1 бар).


Скорость ускользания (2-я космическая)

23,5 км/с.


Безразмерный момент инерции

0,26.


Сферическое альбедо (по Бонду)

0,29.


Геометрическое альбедо (визуальное)

0,41.


Визуальная звездная величина

7,8—8,0

m

.


Поток солнечного излучения

1,51 Вт/м

2

.


Полное поглощаемое излучение

5,4×10

8

МВт.


Эффективная температура

47 К.


Состав атмосферы (в долях объема)

Н

2

(80%), Не(19%).


Магнитный момент диполя

0,142 Гс

Re

3

.


Наклон оси дипольного компонента к оси вращения

47°.


Количество спутников

13.


Широко известна история открытия Нептуна в 1846 г.: следуя вычислениям Урбена Леверье (1811—1877), его обнаружили Иоганн Готфрид Галле (1812—1910) и Генрих Луи Д’Арре (1822—1875). Но есть свидетельства, что его видели и раньше. За 234 года до фактического открытия Нептуна его заметил Галилей, наблюдая спутники Юпитера и фиксируя их положение относительно звезд. 28 декабря 1612 г. Галилей отметил рядом с Юпитером две звезды. Спустя месяц, 28 января 1613 г., он вновь сравнил их положение и записал в дневнике: «за неподвижной звездой следует другая, по той же прямой линии… которая наблюдалась вчера ночью, но тогда они отстояли дальше друг от друга». Только через 366 лет, когда современные исследователи заинтересовались, что же видел Галилей, выяснилось, что одной из «звезд» был Нептун.

Другая историческая запись относится к 1670 г., когда Джон Флемстид (1646—1719) нанес Нептун на карту, приняв его за звезду.

В августе 1989 г. аппарат США «Вояджер-2» вышел к Нептуну и провел большую программу наблюдений. Его сближение с планетой превратилось в торжество исследований космоса. По существу, миссия «Вояджера» привела к полному обновлению сведений обо всем семействе планет-гигантов. За время полета аппарат передал в целом 115 тыс. телевизионных снимков, в том числе 9 тыс. — в сближении с Нептуном.


Планета-океан?

Один из лучших снимков Нептуна, сделанных «Вояджером», приведен на рис. Планета имеет характерную аквамариновую окраску, еще более глубокого тона, чем у Урана. Это объясняется присутствием сильных метановых полос поглощения в красной части спектра. Метан в атмосфере Нептуна (как и у других планет-гигантов) составляет лишь малую примесь, около 1%. Атмосфера состоит главным образом из водорода и гелия, причем гелия больше, чем в атмосфере Урана: его доля около 15% или даже чуть больше (но заведомо меньше 25%). Почти все остальное — водород. Высота атмосферы может достигать 3—5 тыс. км., а давление на ее дне 200 кбар. Для перехода водорода в жидкомолекулярное состояние, как у Юпитера, этого недостаточно.


По-видимому, на дне нептунианской атмосферы находится океан из воды, насыщенной различными ионами. Предложенная для Урана (и, по-видимому, не подтвердившаяся) гипотеза «о горячем перемешивающемся водяном океане», оказывается справедливой для Нептуна. Если предварительные выводы правильны, Нептун окажется самым большим океаном в Солнечной системе. Один из сильных аргументов в пользу океана — это странное магнитное поле Нептуна.

Хотя в атмосфере планеты метан составляет лишь малую часть, полагают, что он в большом количестве входит в ледяную мантию планеты. При давлении около 1 Мбар смесь воды, метана и аммиака может образовать твердые или газожидкие льды даже при очень высоких температурах — от 2000 до 5000 К. На долю ледяной мантии приходится до 70% всей массы планеты, причем основная ее часть — вода.

Около 25% массы Нептуна приходится на его ядро, состоящее из окислов кремния, магния, железа и его сульфидов. Ядро должно включать также много хондритных материалов, которые в обилии присутствовали в протопланетном облаке на стадии формирования планет.

Теоретические модели позволяют представить несколько различных вариантов внутреннего строения Нептуна, выбирать между которыми можно только на основе экспериментальных данных. Типичная модель дает давление в центре планеты 6—8 Мбар и температуру в ядре около 7000 К. Критический параметр для всех моделей — безразмерный момент инерции планеты, который до «Вояджера» принимался равным 0,29. По результатам пролета его удалось уточнить (0,26), поэтому набор возможных моделей значительно сузился.


Различия между Нептуном и Ураном

Своеобразие недр Нептуна проявляется в его тепловом излучении. Поток солнечного тепла у его орбиты в 2,46 раза меньше, чем вблизи Урана, а отражательные свойства обеих планет близки: в видимой части спектра они отражают около 85% падающего солнечного света, поэтому энергетический бюджет Нептуна очень невелик (полпроцента земного). Напомним, что Уран имеет весьма «спокойную» метеорологию. Но ожидание, что на Нептуне атмосферные течения будут еще слабее, не подтвердилось. Уже наземные измерения позволяли предположить, что Нептун выделяет значительный поток энергии. «Вояджер» показал, что этот поток намного (в 2,7 раза) больше того, что планета получает от Солнца. Температура теплового излучения Нептуна достигает 59,3 К, что даже выше, чем у Урана (59,1 К).

Те гипотезы, которые успешно объясняли большое тепловыделение у Юпитера и Сатурна, здесь не годятся. Предполагается, что значительный избыток тепла порождают хондритные материалы, выделяющие немало энергии в радиоактивном распаде.

Диск планеты не слишком богат деталями — ровный голубой фон со слабо выраженными поясами, несколько темных пятен и несколько групп очень светлых облаков. Возможно, «Вояджер» застал Нептун в не самом эффектном виде. Лучшие наземные снимки, полученные в начале 1980-х гг. с ПЗС-камерой в спектральной полосе поглощения метана 890 нм., позволяют различить большие, в четверть диска, светлые пятна. Это были расположенные высоко в атмосфере облака из твердых аэрозольных частиц неизвестного состава. Подобные же снимки были получены и в конце 1990-х гг. (Они требуют большого труда и применения новейших приборов и технологий, потому что даже в хороших астрономических условиях изображение Нептуна почти неразрешимо). На снимках, полученных с использованием новых методов, отчетливо виден темный экваториальный пояс планеты и две широкие полосы облаков в интервалах широт 30—70° в северном и южном полушариях.

Знакомясь с Ураном, мы узнали, что солнечное тепло — это практически единственный источник его энергии (собственное тепло дает вклад в суммарный тепловой поток не более 13%). Этой энергии слишком мало, чтобы возникли такие мощные явления, как циклоны. В отличие от Урана, атмосфера Нептуна обнаруживает значительную метеорологическую активность, причем характер циркуляции доказывает, что энергия приходит «снизу», из недр планеты, как на Юпитере и Сатурне. На Нептуне ветры несравнимо сильнее, чем на Уране. Одно из возможных объяснений состоит в том, что Уран уже отдал все запасенное тепло, а Нептун — еще нет. Таким образом, эти планеты-близнецы не слишком похожи.


Большое Темное Пятно

В задачу «Вояджера» входило изучение Нептуна и окружающих его объектов — колец, спутников, пылевых частиц, магнитосферы. В максимальном сближении «Вояджер» отделяло от центра планеты 29240 км., а до поверхности облачного слоя оставалось всего 4900 км. Аппарат приближался к Нептуну со стороны освещенного Солнцем южного полушария планеты.

Одним из первых открытий «Вояджера» было странное образование на диске Нептуна, которое по аналогии с Большим красным пятном на Юпитере назвали «Большим темным пятном» (БТП). Его размер хотя и меньше, чем у юпитерианского пятна, но близок к размеру земного шара. Его форма не вполне постоянна. Угловая протяженность БТП практически та же, что и на Юпитере: долготная 38°, широтная 15°. Более того, БТП и находится на том же месте: 20°ю.ш., на широкой и самой светлой полосе («зоне», по аналогии с Юпитером), охватывающей широты от 5°с.ш. до 40°ю.ш., несимметрично относительно экватора.

По своей природе БТП — гигантский антициклон, вытянутый в долготном направлении. Расположенный в южном полушарии, он вращался против часовой стрелки и завершал один оборот за 16 земных суток (значительно дольше, чем на Юпитере). Антициклоническое движение БТП примерно соответствовало разности скоростей зональных течений с его северной и южной сторон, которые, обтекая, как бы вращали его. К тому же, Большое Темное Пятно уплывало к западу со скоростью 325 м/с.


БТП — зона повышенных давления и температуры. Но при наблюдении поля теплового излучения планеты БТП ничем не выделяется, в то время как Красное Пятно Юпитера хорошо видно на тепловых картах. Над центром Большого Темного Пятна порой появлялись яркие белые облака, которые висят высоко в прозрачной надоблачной атмосфере. Высоту белых облаков — от 50 до 100 км. — удалось найти по положению их теней на основном облачном слое. В отличие от БКП Юпитера, пятно на Нептуне имело ровное очертание. Над южным краем БТП постоянно присутствовал массив белых облаков, подобный облакам над горными вершинами Земли. По аналогии с горными облаками можно утверждать, что здесь имелись мощные восходящие потоки. На рис. видна широкая облачная полоса, появившаяся 21 августа 1989 г. над БТП. Она как бы разрезала пятно пополам.

Несмотря на все сходство БТП Нептуна с БКП Юпитера, время их существования несопоставимо: всего через полтора-два года БТП, по-видимому, исчезло. Следы его не обнаруживаются даже самыми изощренными средствами наземной астрономии. Зато появились другие подобные объекты.


Беспокойная атмосфера Нептуна

Изучение метеорологических явлений на Нептуне оказалось сложным делом. Предсказанные для повторных наблюдений положения некоторых метеорологических объектов сплошь и рядом не оправдывались. Зачастую через сутки они оказывались на другой широте, а то и вовсе исчезали. Многие из деталей, по движению которых определялась динамика атмосферы, оказались «метеорологическими миражами»: через несколько часов они куда-то бесследно пропадали. Но и сравнительно крупные детали, которые наблюдались постоянно, тоже вызывали трудности в предсказании их положения. Второе по размерам темное пятно всего за одну неделю сместилось на 2000 км. к северу. При этом его период возрос на 30 мин. Светлое образование, получившее прозвище «скутер», отличалось особенно быстрым движением и за короткое время несколько раз изменяло свою форму.

Скорости движений в атмосфере Нептуна огромны. По отношению к самой вращающейся планете некоторые объекты смещаются на 2200 км. за 1 ч. По скорости ветров Нептун превосходит даже Сатурн. Уникальная особенность атмосферы Нептуна — движение атмосферы направлено к западу относительно вращающейся к востоку планеты. Но скорость вращения планеты настолько высока (2,7 км/с на экваторе), что результирующая скорость атмосферы всегда остается направленной к востоку. Иными словами, поскольку сверхураганные ветры дуют в сторону, обратную направлению вращения планеты, период вращения, найденный по движению облаков, получается длительнее истинного периода планеты. По сравнению с суперротацией Венеры — это противоположный случай.

Темные пояса, тоже расположенные несимметрично относительно экватора, выражены нечетко и охватывают широты от 6 до 25°с.ш. и от 45 до 70°ю.ш. Вокруг южного полюса Нептуна расположена облачная «полярная шапка», по яркости соответствующая полосе на широте 40°ю.ш. «Шапка» вблизи северного полюса неизвестна: там сейчас полярная ночь.

Самой низкой температурой на диске Нептуна, всего 52 К, отличаются подсолнечные широты, а самыми «теплыми», до 61 К, оказались районы полюсов и экватор. Простейшее объяснение заключается в том, что слегка нагревающийся газ поднимается, охлаждаясь, в подсолнечных широтах и растекается к экватору и к полюсу. Там он снова опускается и нагревается, сжимаясь. Температура, которую измеряют приборы, — это не температура газа, а главным образом температура аэрозольной среды, высота расположения которой в этих районах не одинакова.

Видимый облачный слой соответствует давлению 1,2—1,3 бар и среднему диаметру планеты 49100 км. На 50—100 км. выше видимого облачного слоя иногда наблюдались группы вытянутых облачных полос шириной по 50—200 км. с четкими тенями от них на основном облачном слое. Таков снимок, представленный на рис. Здесь можно видеть уходящую в ночь облачную гряду (типа земных перистых облаков) вблизи терминатора, расположенную примерно на широте БТП, но в северном полушарии. Такие облака появлялись перед заходом Солнца.


Природа надоблачной дымки другая. Расположенная выше основного облачного слоя, она наблюдалась над лимбом Нептуна в виде дуг над краем планеты. Скорее всего, дымка состоит из углеводородов, возникающих при фотолизе метана: этана С2Н6, ацетилена С2Н2, образующих слои на высоте 45—60 км., и этилена С2Н4 на высоте около 120 км.

Во время длившегося 49 мин. радиозахода аппарата за Нептун было проведено зондирование подоблачной атмосферы с помощью радиолуча «Вояджера». Луч неожиданно исчез, когда пересек уровень 3 бар. Это на 25 км. ниже верхней границы облаков. Скорее всего, здесь находится слой из аммиака.


Наклонный ротатор

«Магнитный штопор» Урана был открыт в 1986 г. и привлек своей необычностью. Но Нептун, с его «нормальным» положением полярной оси, казалось бы, должен и магнитное поле иметь «нормального» образца, вроде Земли или Сатурна. Но поле его оказалось очень похожим на «наклонный ротатор» Урана, лишь вдвое слабее. Если представить его, как обычно, в виде диполя, то угол между осью диполя и осью вращения Нептуна составит 47° (для Урана 59°). В результате ось диполя описывает в пространстве конус, ось которого отклонена почти на 30° от нормали к плоскости орбиты. В наши дни минимальный угол между образующей конуса и направлением на Солнце близок к 20°, причем к нему обращен южный магнитный полюс. (Такое «дипольное» приближение более или менее удовлетворительно для расстояний более четырех радиусов планеты. Ближе сильно сказываются недипольные составляющие).


Ось диполя сдвинута на 14 тыс. км. в сторону от центра планеты, а центр диполя смещен на 6 тыс. км. в южное полушарие. Поэтому напряженность магнитного поля у южного магнитного полюса в 10 раз выше, чем у северного, а в среднем у поверхности она близка к 0,13 Гс (в 2,5 раза меньше земной).

«Наклонный ротатор» Урана был в свое время воспринят как причуда природы. Но Нептун представил практически такой же самый наклонный ротатор, превратив его в закономерность.

Как и в случае с Ураном, во время сближения «Вояджера» с Нептуном радиовсплески от заряженных частиц долго не удавалось обнаружить. Их нашли за 8 дней до сближения, на расстоянии 864 тыс. км., в тот же день, когда аппарат достиг ударной волны (у границы магнитосферы и невозмущенного солнечного ветра). Прохождение ударной волны было настолько растянутым, что заняло больше часа (на Земле на это ушло бы 2 секунды). Причина оказалась именно в наклонном ротаторе: в этот момент южный полюс диполя был обращен к Солнцу. Поэтому аппарат двигался практически вдоль линий поля. Такая удача позволила получить подробные сведения о структуре полярных областей магнитосферы. За время ее пересечения магнитное поле изменило свое направление 5 раз. Из периодичности радиовсплесков удалось найти точный период вращения Нептуна: 16,11 ч.

Несколько раз удалось принять какие-то другие сигналы «спокойного» характера, которые приходили от самой планеты, а не из магнитосферы. Эти сигналы имели направленный характер. Они напоминают подобный же источник на Сатурне.


Внутреннее строение Нептуна

Особенности магнитного и гравитационного полей Нептуна привели к следующим выводам. Поле возбуждается в жидкой проводящей среде — в слое, который находится на расстоянии 0,5 радиуса планеты от центра, т.е. почти в том же слое, что и на Уране. Внутри жидкого слоя находится заведомо твердое ядро, в котором магнитное поле возбуждаться не может. Этим и объясняется своеобразный перекос поля Нептуна.


Радиальная протяженность проводящего слоя неизвестна. Над твердым ядром Нептуна расположен огромный, глобальный океан, электрические токи в котором возбуждают сложное по структуре магнитное поле с множеством полюсов. Каждый из компонентов высших порядков дает все меньшую напряженность, что и позволяет представить поле издали дипольным приближением.

Однако представления об океане противоречат выводам об устройстве Урана (см. раздел «Уран»), потому что найденные для Нептуна коэффициенты динамического сжатия α=0,01708 и J2=0,003411 все же близки к двуслойной модели. Возможно, выводы, касающиеся Урана, требуют пересмотра.

Магнитосфера Нептуна с ее вытянутым хвостом обладает наименьшей плотностью заряженных частиц — всего один протон в 1 см3. Это в 3 раза меньше, чем у Урана, и в 3000 раз меньше по сравнению с Юпитером.

Все тела системы Нептуна (кольца и все спутники) находятся внутри его знакопеременной магнитосферы, за исключением спутника Нереида, которая посещает магнитосферу лишь один раз в год — таков ее орбитальный период.


Незамкнутые кольца Нептуна

Подобно другим планетам, в своем движении Нептун покрывает звезды, что происходит сравнительно часто. В 1968, 1981, 1983 и 1985 гг. при покрытиях отмечались странные явления. 22 июля 1985 г. на расстоянии примерно двух радиусов планеты свет звезды в течение 2 секунд был ослаблен на 30%. Похожие явления наблюдались и раньше, например в мае 1981 г., когда отмечалось 8-секундное уменьшение блеска звезды. Его зарегистрировали только с одной стороны от планеты, из чего был сделан вывод, что это спутник размером около 180 км. на орбите радиусом примерно 50000 км. Для такого открытия нужно необычайное везение, вероятность его меньше 1%. Тем не менее, «Вояджер» подтвердил существование этого спутника. Им оказалась Ларисса — тело диаметром около 190 км.

В других случаях результаты были сложнее. Покрытие 1985 г. наблюдалось из двух точек в Южной Америке, разнесенных на 100 км. Покрытие видели обе группы наблюдателей, поэтому небесное тело должно было обладать большими размерами. Но это противоречило кратковременности покрытия, всего 2 с. Было высказано предположение, что звезду закрыло особое кольцо незамкнутого типа. Таких колец тогда еще никто не видел.


На рис. показаны чрезвычайно слабые кольца Нептуна. Увидеть их даже с «Вояджера» человек не смог бы. Телевизионной камере понадобилась 10-минутная экспозиция, чтобы накопить достаточно света для этого изображения. Поэтому сам Нептун в центральной части изображения сильно «передержан». На дальнем плане снимка выделяются три дуги повышенной плотности. Кольца наблюдались в прямом рассеянии света, когда аппарат находился за Нептуном. Другие изображения показали, что между кольцами и внутри них есть еще два очень слабых, едва различимых кольца. «Арками» — так назвали незамкнутые образования — обладает только самое внешнее кольцо 1989 N1R, причем арки сами расположены на сплошном кольце малой плотности. Его диаметр 69,2 тыс. км., а ширина арок всего 50 км. (см. табл.). Другие арки найдены не были. По основным признакам кольцо 1989 N1R похоже на кольцо F Сатурна или кольца δ и η Урана. Наиболее крупные глыбы сосредоточены как раз в том кольце, которое едва заметно (1989 N4R).


Как возникают арки, почему они не распадаются? Теория пока не может дать ответ на эти вопросы. Легко было бы объяснить устойчивость системы, если бы в кольцо были «вмонтированы» небольшие спутники, по паре на каждую арку, иными словами, если бы в непосредственной близости от кольца находились шесть спутников типа «сторожевых собак». Но их поиски результатов не дали, за исключением того, что крупного глыбового материала в одной из арок больше, чем в других. Из шести вновь открытых спутников два расположены внутри колец (но не в самих кольцах). Но и они не решают задачу. Два новых спутника, Деспина и Галатея, по-видимому, могут определять резкие границы близкого к ним кольца, хотя как тела, внешние по отношению к кольцам, они скорее способны расталкивать кольца и спутники и удалять их друг от друга.

Обнаружилось, что структура колец в пределах арок оказалась перевитой, подобно кольцу F Сатурна. Все другие кольца замкнутые. Они находятся в интервале расстояний от 41,9 до 62,9 тыс. км.

Система колец Нептуна чрезвычайно похожа на систему Урана. Но суммарная площадь всего материала в кольцах и вновь открытых спутниках Нептуна составляет 1011 м2, или всего 1% от колец Урана. Один из выводов состоит в том, что кольца Нептуна гораздо старше. На это же указывают их очень низкие отражательные свойства: их сферическое альбедо около 6%. Вероятно, здесь также действует механизм потемнения поверхности за счет освобождения углерода из сложных молекул под действием бомбардировки заряженными частицами.

Во время сближения с Нептуном группа астрогеологов составляла внушительную часть научного коллектива «Вояджера». А ведь когда полет этого зонда начинался, в группе был лишь один геолог. Научная работа виделась, прежде всего, как исследование газо-жидких планет. Но с пролетом каждой планеты положение менялось, и центр исследований смещался к кольцам и твердому веществу спутников. Кольцам и спутникам планет посвящено более половины всех научных работ по материалам «Вояджеров».


Глава XI


ПЛУТОН И ХАРОН


Характеристики Плутона и Харона


Плутон:

Большая полуось орбиты 39,4 а.е.=5,9 млрд. км.

Сидерический период обращения 247,7 лет=90470 сут. («год»).

Синодический период (средний) 1,00 лет=367 сут.

Сидерический период вращения 6,39 сут.=6сут. 9ч. 17мин. («звездные сутки»).

Наклонение орбиты к эклиптике 17,2°.

Эксцентриситет орбиты 0,25.

Средняя орбитальная скорость 4,7 км/с.

Наклон экватора к орбите (вращение 57,5° обратное).

Масса 1,3×1022 кг.=0,002 М⊕.

Средняя плотность 2,0 г/см3.

Экваториальный радиус 1150 км.=0,18 R⊕.

Ускорение свободного падения 0,58 м/с2.

Скорость ускользания (2-я космич.) 1,2 км/с.

Сферическое альбедо (по Бонду) 0,4—0,6.

Геометрическое альбедо (визуальное) 0,5—0,7.

Визуальная звездная величина 14m.

Поток солнечного излучения у поверхности 0,88 Вт/м2.

Поглощаемая радиация 3×106 МВт.

Эффективная температура 38 К.

Состав атмосферы CH4N2.

Количество спутников 3.


Спутник Харон:

Радиус 603 км.

Масса 1,6×1021 кг.

Средняя плотность 1,7 г/см3.

Ускорение свободного падения 0,31 м/с2.

Скорость ускользания (2-я космич.) 0,6 км/с.

Радиус орбиты (круговая) 19600 км.

Наклонение орбиты к эклиптике 64°.

Наклонение орбиты к орбите Плутона 57,5°.

Период (орбитальный и суточный) 6,38725 сут. (движение обратное).

Визуальная звездная величина 17m.


Происхождение Плутона

Плутон столь значительно отличается от планет-гигантов, что с тех пор, как Клайд Томбо (1906—1997) открыл его в 1930 г., различные гипотезы о происхождении Плутона выдвигались много раз.

Известно, что положение Плутона в Солнечной системе противоречит эмпирическому правилу Тициуса-Боде, которое предсказывает для него большую полуось орбиты 77 а.е. (при действительном значении 39,4 а.е.). Для Нептуна тоже нет хорошего соответствия: 30,1 а.е. вместо предсказанных 38,8 а.е. Но положение планетных орбит в действительности определяется теорией резонансов, а правило Тициуса-Боде — это ее частный случай. Положение орбит Нептуна и Плутона соответствует 1:2 и 1:3 относительно Урана и, как результат, 2:3 для орбиты Плутона относительно Нептуна.

В 1936 г., когда еще не знали, что Плутон — двойная планета, была предложена гипотеза о том, что когда-то он был одним из спутников Нептуна, но в результате сближения с неизвестной планетой оказался выброшен из системы, а другой спутник Нептуна — Тритон — перешел при этом на необычную орбиту с обратным вращением. Предполагалось даже, что исходя из нынешних орбит Плутона и Тритона можно рассчитать массу и орбиту неизвестной планеты.

Плутон действительно похож на спутник Нептуна Тритон. И хотя критики утверждали, что орбиты Нептуна и Плутона вообще никогда не пересекались, идея близкого родства этих тел постепенно распространялась. В 1984 г. были даже выполнены расчеты совместного происхождения Тритона и Плутона, в которых рассматривалась возможность захвата Нептуном массивного протопланетного тела (планетезимали), распавшегося на Тритон и Плутон. Расчеты дали совсем другой результат. Они показали, что если бы такая катастрофа произошла, то вторая, «плутонная» половина, по-видимому, была бы выброшена за пределы Солнечной системы, и что Тритон и Плутон скорее всего имеют независимое происхождение.

Тем не менее внешнее (а возможно, и внутреннее) сходство двух этих тел несомненно, если учесть подобие в составе, средней плотности, размерах, особенностях атмосфер и расстояниях от Солнца. Другой вопрос — вероятность катастрофы таких масштабов и возможность восстановить ее подробности расчетным путем на основе известных в настоящее время орбит. Хотя подобные катастрофы действительно возможны, происхождение Плутона связывается теперь не с Нептуном, а с поясом транснептуновых объектов (поясом Койпера), о котором будет рассказано ниже. Формальным признанием «неполноценности» Плутона как планеты стало решение MAC (2006 г.) о введении нового семейства тел Солнечной системы — планет-карликов, прототипом которых и стал Плутон.


Плутон и Харон

Из-за большого эксцентриситета своей орбиты Плутон с 1979 г. по 1999 г. был ближе к Солнцу, чем Нептун. Начиная с 1930 г., когда он был открыт, Плутон все еще находится к северу от эклиптики, и ныне (2007 г.) его высота над нею около 4 а.е.

Еще в 1960-х гг. было установлено, что блеск Плутона изменяется с периодом 6сут. 9ч. 17мин. Это значение приняли как период вращения Плутона, и не ошиблись. Но оказалось, что это же значение имеют еще два важных периода, связанные с Плутоном. В 1978 г. было доказано, что чуть вытянутая форма изображения Плутона на фотоснимках означает наличие у него спутника. Оба тела имеют близкие размеры, поэтому правильнее называть их двойной планетой или системой двух планет. Тем не менее принято говорить о Плутоне и его спутнике Хароне.

С космического телескопа «Хаббл», для которого не существует проблемы земной атмосферы, впервые удалось сделать снимок, на котором раздельно видны Плутон и Харон. Они так близки друг к другу (<1"), что с Земли их вначале удавалось разделить только методом спекл-интерферометрии, но к 2000 г. новые наземные телескопы с активной оптикой позволили уверенно разделить Плутон и Харон. Период 6,387 сут оказался также периодом их взаимного обращения вокруг общего барицентра. По измеренному периоду и радиусу орбиты удалось измерить общую массу системы Плутон-Харон (1,47×1022 кг.=0,0025 М⊕). Отношение их масс (1/7) выше, чем у любой другой пары спутник-планета.


Рис. Фото Плутона (слева) и Харона, полученное космическим телескопом «Хаббл» в 1994 г.


Плоскость орбит компонентов повернута к Земле так, что в 1985 г. начались их систематические взаимные затмения (покрытия), длившиеся по нескольку часов. Полная фаза затмений была в 1988 г., а закончились они в 1991 г. Это позволило не только уточнить размеры компонентов, но даже исследовать распределение альбедо по их поверхности. Следующий период затмений повторится только через 124 года. Уменьшение блеска при затмениях составляло поочередно 4 и 8%, из чего сделан вывод, что поверхность Харона на 30% темнее, чем у Плутона. Ныне с телескопа «Хаббл» уже получены нечеткие еще изображения Плутона.


Рис. Плутон.


От Плутона диск Солнца неразличим для невооруженного глаза. Поэтому Солнце там блестит как ослепительная звезда, тускло освещая поверхность. Впрочем, этого освещения должно быть достаточно для телевизионной съемки и даже для чтения.


Атмосфера Плутона

Спектрометрические измерения уверенно указывают на присутствие на Плутоне метана. Но неясно, относятся ли наблюдающиеся метановые полосы к атмосфере или к инею на поверхности. Вероятно, иней метана есть, но и существование атмосферы также доказано, причем она даже не очень разреженная. Вначале исследователи исходили из того, что она состоит из метана, и заключали, что атмосфера Плутона тонка, но на пределе возможностей современной аппаратуры ее удается обнаружить. В полученном спектре отражения Плутона имеются полосы у длин волн 620, 790 и 840 нм., которые совпадают с расчетным спектром поглощения метана. Эти полосы, вероятнее всего, относятся к газовой фазе.

Толщина атмосферы Плутона оценивалась всего в 7,3×1022 молекул/см2 (около 1/3 содержания углекислого газа в столбе атмосферы Марса). Но эта оценка относится только к метану. Напомним: у Тритона и Титана азотные атмосферы. В атмосфере Плутона азота тоже может быть много. Возможно и присутствие аргона. Согласно последним измерениям, атмосфера Плутона может быть более плотной, чем предполагалось. В 1988 г. наблюдалось покрытие Плутоном звезды: ее яркость убывала постепенно, в течение нескольких секунд, что несомненно указывает на довольно плотную атмосферу.

Глобальные колебания температуры Плутона должны приводить к накоплению конденсатов метана и азота в полярных шапках зимой и увеличению атмосферной массы летом, в период таяния полярных шапок. Согласно расчетам, уменьшение температуры всего на 2 градуса приводит к конденсации половины атмосферного метана на Плутоне. Поэтому содержание метана в атмосфере должно особенно сильно меняться в зависимости от положения Плутона на орбите, вызывающего сезонные изменения температуры.

Если на Земле смена сезонов в основном обязана наклону экватора планеты к ее орбитальной плоскости, то на Плутоне и Хароне к большому наклону экватора добавляется и большой эксцентриситет орбиты (0,25), что изменяет поток падающего на поверхность солнечного тепла на ±56% за 248 лет. Это приводит к глобальному потеплению в перигелии орбиты и к охлаждению в афелии. Плутон прошел перигелий в 1989 г. Вероятно, значительная часть отложений метана и азота перешла при этом с поверхности в атмосферу.


Ось вращения Плутона ориентирована в нашу эпоху так, что в перигелии и афелии он повернут экватором к Солнцу. Это делает сезонные эффекты довольно замысловатыми. В полярных областях Плутона смена сезонов, в целом, такая же, как на Земле — одна зима и одно лето за год, хотя есть различие между полушариями: в южном быстро наступает лето и медленно — зима, а в северном наоборот. Но в экваториальных областях друг друга сменяют четыре сезона: два сезона низкого Солнца и два — высокого, которые можно назвать «летними», но при этом одно лето более теплое, а другое — более прохладное. В период теплого лета температура достигает —220 °С, а в зимний период опускается до —240 °С. Расчет показывает, что в результате прецессии ось Плутона описывает конус вокруг оси его орбиты с периодом в несколько миллионов лет (у Земли этот период всего 26 тыс. лет). Поэтому примерно через миллион лет ось Плутона, подобно земной оси, будет в перигелии и афелии смотреть в сторону Солнца (под углом 33°), и смена сезонов станет проще: в каждом полушарии будет четкая смена зимы и лета, причем в одном из полушарий лето будет «жарче», чем в другом.

Неожиданный результат был получен при расчете структуры атмосферы Плутона. Оказалось, что из-за малого расстояния между Плутоном и Хароном у них должна быть общая атмосфера. Но это требует подтверждения. Если существующие оценки массы Плутона и Харона правильны, то метан в атмосфере Плутона находится на грани диссипации. Для сохранения метановой атмосферы требуются примерно такие параметры: масса Плутона 2,3×1022 кг. (1/3 массы Луны), радиус 1400 км., средняя температура поверхности не более 52 К, максимальная 62 К. При этом сферическое альбедо должно быть около 0,45, а ускорение свободного падения у поверхности около 0,8 м/с2.

В 1988—91 гг. методами астрометрии удалось определить положение центра масс и оценить среднюю плотность Плутона как 1,8—2,1 г/см3., что типично для силикатно-ледяных тел вроде Тритона, Титана или Ганимеда. Плотность Харона получилась равной 1,2—1,3 г/см3. Отсюда следовало, что состав Плутона — это каменные породы и водяной лед, а Харон — это аналог ледяных спутников Сатурна. Такое различие должно было указывать на независимое происхождение этих небесных тел. Однако позже были получены иные оценки: расстояние между центрами компонентов 19640 км., диаметр Плутона 2300 км., диаметр Харона 1200 км. Полная масса системы 1,46×1022 кг., из которых на Харон приходится около 10%. Отсюда плотность Харона 1,7 г/см3, что заметно ближе к плотности Плутона. Таким образом, вопрос о происхождении Плутона и Харона остается открытым до более детального их исследования.


Транснептуновые объекты

Выше говорилось о гипотезе образования двойной системы Плутон-Харон в космической катастрофе, но ныне проблема получила новое освещение: происхождение Плутона весьма вероятно связано с поясом транснептуновых объектов.

Кеннет Эджворт в Англии (1943, 1949 гг.) и Джерард Койпер в США (1951 г.) выдвинули гипотезу о существовании, наряду с облаком Оорта, еще одного, более близкого резервуара комет. Ныне гипотеза подтверждается; за этой зоной закрепилось название «пояс Койпера». Вначале, в 1992 г. в результате многолетних поисков был обнаружен очень далекий и слабый объект, названный 1992 QB1, принадлежащий Солнечной системе и находящийся далеко за орбитами Нептуна и Плутона, на расстоянии 41 а.е. Объект оказался гигантским ядром кометы, размером 200—500 км. (размер ядра кометы Галлея «всего» около 10 км.). Уточненная орбита оказалась именно такой, как была предсказана: почти круговой, с большой полуосью 44 а.е. и малым наклонением к эклиптике (2°). Всего через год был обнаружен еще один объект такого же размера, 1993 FW, также с большой полуосью 44 а.е. и наклонением 8°. Поскольку в ходе их поиска был исследован лишь небольшой участок неба, стало ясно, что таких объектов должно быть очень много. В том же 1993 г. были обнаружены еще 4 объекта в интервале от 32 до 34 а.е. снова с малым наклонением орбиты. Поэтому первичные предположения, что 1992 QB1 и 1993 FW могут быть кометами, идущими из облака Оорта, были полностью отвергнуты. Тела этого типа получили название «транснептуновые объекты», или ТНО.

Астрономы давно подметили, что орбиты большинства короткопериодических комет лежат близ плоскости эклиптики, а орбиты долгопериодических комет расположены как угодно. Теперь это объясняется просто: первые приходят из пояса Койпера, вторые — из облака Оорта. В отличие от населения облака Оорта объекты пояса Койпера сформировались неподалеку, на окраине планетной системы, поэтому плоскости их орбит близки к эклиптике. Там могла бы сформироваться еще одна планета, но из-за взаимной удаленности и медленного движения находящихся в поясе Койпера тел на это не хватило 4,5 миллиардов лет существования Солнечной системы. Можно считать, что эта планета формируется у нас на глазах.


К 2007 г. было найдено более 1200 ТНО. Большинство из них, «классические» ТНО, находятся на расстояниях 40—50 а.е., имеют сравнительно небольшие эксцентриситеты (до 0,2) и наклонения орбит (до 40°). В своем движении они не входят в резонанс с Нептуном. Удалось обнаружить ТНО на орбитах, существенно превышающих орбиту Плутона. Например, у объекта 1999 DG8 большая полуось орбиты составляет 61 а.е., а объект 1996 TL66, имеющий вытянутую (е=0,58) орбиту с большой полуосью 84 а.е., удаляется от Солнца в афелии втрое дальше Плутона.

Общая численность населения пояса Койпера составляет порядка 108—1010. Такая оценка следует из числа наблюдаемых короткопериодических комет. Внешняя граница пояса Койпера может находится очень далеко, на расстоянии сотен астрономических единиц, а общая масса его населения может составить десятки масс Земли.

Сейчас, после длительных поисков, астрономы уверены, что крупной планеты за орбитой Нептуна нет. Поэтому все возмущения кометных орбит, превращающие их из круговых в вытянутые, может создавать только Нептун (ничтожная масса Плутона позволяет им полностью пренебречь). Под действием этих возмущений тела пояса Койпера иногда переходят на эллиптическую орбиту и в качестве короткопериодических комет проникают в область внутренних планет. Но расчеты показали, что влияние Нептуна на население пояса Койпера все же весьма ограничено. Во-первых, дальше 48 а.е. находится стабильная зона, где движение кометных тел от Нептуна уже практически не зависит. Во-вторых, на возмущение Нептуном орбит даже более близких тел, 40—41 а.е., требуется около миллиарда лет. Четыре объекта, найденных в пределах 33—35 а.е., находятся на нестабильных орбитах и на своем пути к появлению в качестве короткопериодических комет.


Литература

Саймон Т. Поиски планеты Икс. М.: Мир, 1966.

Уайт А. Планета Плутон. М.: Мир, 1983.

Рускол Е.Л. Естественные спутники планет. М.: ВИНИТИ, 1986. В сер. Итоги науки и техники. Астрономия, том 28.


Глава XII


СПУТНИКИ ПЛАНЕТ


Введение

К моменту написания этой книги в Солнечной системе обнаружено 166 спутников планет. Кроме того, у планет-карликов обнаружено 4 спутника. Множество спутников открыто у астероидов Главного пояса и пояса Койпера.


Меркурий 0

Венера 0

Земля 1

Марс 2

Юпитер 63

Сатурн 60

Уран 27

Нептун 13

Церера 0

Плутон 3

Эрида 1


Из всех спутников только Луна известна с глубокой древности, а остальные спутники планет были открыты с помощью телескопов и космических зондов. Конечно, Луну трудно не заметить: в полнолуние ее блеск почти достигает —13m. Спутники других планет недоступны невооруженному глазу, и только четыре галилеевых спутника Юпитера могли бы быть видны как звездочки 5m, если бы не соседство яркого Юпитера (впрочем, исключительно зоркие люди замечают их присутствие даже невооруженным глазом).

Именно галилеевы спутники Юпитера были открыты первыми сразу после изобретения телескопа. А затем, по мере совершенствования астрономической оптики становились известными все более мелкие и далекие спутники. Применение фотографии еще дальше продвинуло эту работу, а запуск космических зондов к планетам позволил обнаружить рядом с ними совсем крохотные тела размером всего несколько километров.

Неудивительно, что неспециалисту многочисленные спутники планет кажутся «все на одно лицо». Лишь упоминание Луны вызывает у несведущего человека интерес и некоторые ассоциации. А со спутниками других планет не связаны легенды и предания, в их честь не совершали жертвоприношения, древние народы не использовали их для счета времени. Однако для специалиста-планетолога каждый спутник — это уникальный мир, не менее важный и интересный, чем наша вечная соседка Луна.

Имена спутников обычно черпаются из греко-римской мифологии. Их утверждает специальная комиссия Международного астрономического союза (MAC). Но, в действительности, эти имена скорее интересуют публику, чем профессионалов. В своей работе астрономы обычно пользуются специальными обозначениями спутников планет. В недалеком прошлом были приняты две системы обозначения спутников: в порядке удаленности от планеты (обозначение состояло из названия планеты и номера, записанного арабскими цифрами) и в порядке открытия (название планеты и номер, записанный римскими цифрами). Например, до пролета «Вояджеров» вблизи Юпитера у этой планеты было известно 13 спутников. Самый внешний из них — Ананке — носил обозначение Jupiter 13. Он же именовался Jupiter XII, так как был обнаружен в 1951 г., ранее открытой в 1974 г. Леды — Jupiter XIII.

В наши дни, когда благодаря развитию техники открытия делаются чаще, новооткрытым спутникам сначала дают временное обозначение вида S/2000J3, где S означает «спутник» (от англ. satellite), 2000 — год открытия (в данном случае — 2000 г.), J — первая буква имени планеты (здесь — Jupiter, Юпитер), 3 — порядковый номер спутника данной планеты среди обнаруженных в указанном году. Позже, когда открытие подтверждено и орбита спутника надежно определена, ему дают название (имя) и постоянный номер. Например, спутник S/2000J3 получил имя «Иокасте» (Iocaste) и номер JXXIV, говорящий о том, что это спутник Юпитера под номером 24.


Спутники Марса

У Красной планеты два спутника — Фобос и Деймос, в переводе с греческого — Страх и Ужас. С ними связано несколько любопытных историй.

Первая произошла за полтора века до открытия Фобоса и Деймоса. В романе Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера» (1726 г.) главный герой попадает на летучий остров Лапута. Там он узнает, что местным астрономам удалось открыть два маленьких спутника Марса: «Ближайший из них удален от центра этой планеты на расстояние, равное трем ее диаметрам, второй находится от нее на расстоянии пяти таких же диаметров».

Допустим, Свифт мог угадать количество спутников Марса, если читал книгу Кеплера «Разговор со Звездным вестником». Великий изыскатель гармонии небес и любитель математических прогрессий, Иоганн Кеплер, обращаясь к Галилею, открывшему спутники Юпитера, писал, что тоже мечтает о зрительной трубе, «…с которой я обогнал бы тебя в открытии двух (так, мне кажется, требует пропорция) спутников Марса и шести или восьми сатурновых». Во времена Свифта мысль о возрастании числа спутников с удалением от Солнца получила подтверждение: у Сатурна уже тогда астрономы нашли пять спутников. Догадка о спутниках Марса становилась популярной и получала новые «обоснования»: Вольтер в романе «Микромегас» (1752 г.) замечает, что Марсу необходимы, по крайней мере, два спутника, так как при его удалении от Солнца одного спутника было бы недостаточно, чтобы освещать планету ночью.

Итак, угадать количество спутников Марса Свифту помог Кеплер. Но каким образом Свифт мог так точно предсказать размеры орбит спутников Марса? Когда спустя полтора столетия их действительно открыли, выяснилось, что расстояние Фобоса от центра Марса составляет 1,4 диаметра планеты, а Деймоса — 3,5. Свифт почти не ошибся! До сих пор эта «загадка Гулливера» не дает астрономам спать спокойно.

Быть может, именно благодаря Свифту и Вольтеру, каждый период противостояния Марса астрономы использовали для поиска у него спутников. Но удача долго никому не улыбалась. Наконец, в августе 1877 г. наблюдатель Морской обсерватории в Вашингтоне Асаф Холл (1829—1907), пользуясь в то время крупнейшим в мире 66-см рефрактором фирмы «Альван Кларк и сыновья», обнаружил два крохотных светила, следующие за Марсом в его движении среди звезд. Это оказались долгожданные спутники красной планеты! Любопытно, что Холл провел в их поисках много безуспешных ночей. Когда его охватило отчаяние, и он уже готов был прекратить наблюдения, лишь настойчивость его жены Хлои заставила астронома вернуться к телескопу. В память об этой удивительной женщине крупнейший кратер на Фобосе носит ее девичью фамилию — Стикни. Не забыт и Кеплер: его имя присвоено огромному разлому на Фобосе. А догадливые писатели — Свифт и Вольтер — удостоились кратеров на Деймосе.

Третья история случилась в XX в. Исследуя движение Фобоса, коллеги Холла по Морской обсерватории еще в 1929 г. заподозрили, что период его орбитального движения постепенно укорачивается. Это окончательно доказал в 1945 г. астроном Морской обсерватории Беван Персиваль Шарплесс (1904—1950), сделавший однозначный вывод — спутник медленно приближается к планете. Расчеты показали, что совсем скоро, через 15 млн. лет, произойдет космическая катастрофа — столкновение Фобоса с Марсом. Но в чем причина падения спутника?

Московский астрофизик И.С. Шкловский (1916—1985) обратил внимание, что Фобос и Деймос уникальны тем, что это самые маленькие (известные тогда) спутники планет. Особенно необычен Фобос. В первом издании своей популярнейшей книги «Вселенная, жизнь, разум» (1962) Шкловский писал о Фобосе: «Это единственный случай в Солнечной системе (если не считать искусственных спутников Земли), когда период обращения спутника вокруг планеты меньше периода вращения последней вокруг своей оси».

Рассмотрев возможные варианты, Шкловский решил, что причиной торможения Фобоса служит атмосфера Марса. Но крайне разреженная на такой высоте, она может эффективно тормозить спутник только в том случае, если его средняя плотность значительно ниже, чем у любого естественного тела. В 1959 г. Шкловский предложил «сумасшедшую идею»: Фобос — пустотелое сооружение, искусственный спутник Марса! Эта гипотеза вызвала взрыв энтузиазма среди сторонников существования жизни на Красной планете.

Увы, дальнейшие наблюдения за движением Фобоса показали, что Шарплес преувеличил эффект: Фобос приближается к Марсу довольно медленно, и его падение произойдет примерно через 100 млн. лет. Вероятно, это удастся объяснить обычным приливным влиянием планеты, подобным тому, которое вынуждает Луну удаляться от Земли. Вопрос для любознательных: почему приливный эффект вынуждает Луну удаляться от Земли, а Фобос — приближаться к Марсу?

После работы автоматических станций вблизи Марса ни у кого не осталось сомнения, что его спутники — естественные тела, весьма похожие на астероиды. Фотографии поверхности Фобоса и Деймоса передали на Землю американские «Викинги» и советские «Фобосы», специально посланные для исследования большей луны Марса. Хотя их программа не была выполнена полностью, но данных о Фобосе прибавилось. Взгляните на рис.: поражает обилие кратеров на столь мелком космическом теле...


Рис. Фобос.


Рис. Деймос.


Вероятно, Фобос и Деймос раньше были обычными астероидами. Случайно сблизившись с Марсом, они оказались захвачены на орбиту вокруг планеты. Один из наиболее продуктивных способов изучения небесных тел — доставка образцов их грунта в земные лаборатории. Астероиды давно интересуют ученых, но с Фобоса или Деймоса вернуть космический корабль намного проще, чем с большинства астероидов. Поэтому сейчас активно разрабатывают проект доставки вещества марсианских спутников на Землю. Впрочем, не исключено, что в наших лабораториях уже есть образцы с Фобоса.


Спутники Юпитера

«Сперва я принял их за неподвижные звезды, — пишет Галилей в «Звездном вестнике». — Однако они привлекли мое внимание тем, что лежали на прямой линии, параллельно эклиптике, и сверкали ярче, чем иные звезды. Две из них были к востоку от Юпитера, одна — к западу. Однако, когда я на следующий день взглянул на них, я обнаружил, что они сгруппировались по-другому…». Открытые Галилеем в январе 1610 г., спутники Юпитера привлекли не только его внимание: в том же году их независимо открыл немецкий астроном Симон Марий (1573—1624) и предложил назвать их именами из древнегреческих мифов. Ио — возлюбленная Юпитера/Зевса, которую, спасая от гнева своей жены Геры, он превратил в белоснежную телку. А нимфу Каллисто Зевс по той же причине превратил в медведицу, а позже поместил на небо в виде Большой Медведицы. Прекрасную финикянку Европу Зевс похитил, приняв облик могучего быка. Юноша Ганимед прислуживал Громовержцу на пирах. А все вместе эти четыре ярких спутника Юпитера обычно называют «галилеевыми» в честь первооткрывателя.

Люди с острым зрением при отличных условиях наблюдения замечают галилеевы спутники без оптических приборов в виде «отростков» Юпитера, напоминающих поля шляпы. А бинокль дает каждому возможность увидеть их. Вооружившись небольшим телескопом типа «Мицар», можно наблюдать явления в системе Юпитера: то спутники входят в тень планеты, то тень от спутника падает на диск Юпитера, то спутники проходят на фоне диска планеты. Наблюдать эти события очень интересно! Моменты наступления этих явлений вычислены заранее и опубликованы в Астрономическом календаре на текущий год. Иногда в системе Юпитера происходят еще более захватывающие события, которые называют взаимными явлениями в системе спутников. Это когда тень от одного спутника падает на другой спутник, или наблюдается покрытие одного спутника другим. Точно фиксировать моменты наступления этих событий важно для улучшения теории движения спутников Юпитера. Здесь даже любительские наблюдения могут быть полезны для науки.


Размеры галилеевых спутников столь велики, что уже в телескоп с 200-кратным увеличением можно заметить их диски. Каждый из них крупнее и массивнее маленькой планеты Плутон, три превосходят Луну, а самый крупный — Ганимед — даже превосходит (размером, но не массой) настоящую планету Меркурий. Исследования с Земли дали мало информации о системе Юпитера: издалека все спутники казались похожими друг на друга. Но пролеты вблизи Юпитера американских зондов «Вояджер-1 и -2» (1979 г.) открыли удивительный мир галилеевых спутников, каждый из которых оказался оригинальной и ни на что не похожей маленькой планетой. Однако их систематическое исследование началось лишь с декабря 1995 г., когда в систему Юпитера прибыл его первый искусственный спутник «Галилео». Он передал подробные изображения поверхности галилеевых спутников, на которых различимы детали размером в несколько метров. Изучение этих снимков открыло новую главу в планетологии.

Взаимное влияние галилеевых спутников друг на друга и на пролетающие мимо них аппараты позволило определить массы спутников и вычислить их среднюю плотность. Оказалось, что плотность спутников уменьшается по мере удаления от Юпитера: плотность Ио составляет 3,6 г/см3; Европы — 3,0; Ганимеда — 1,9 и Каллисто — 1,8. Как известно, средняя плотность планет также уменьшается с удалением от Солнца. Это наводит на мысль, что система спутников Юпитера представляет миниатюрную копию Солнечной системы. Вероятно, процессы их формирования были в чем-то сходны. Поскольку других аналогов Солнечной системы мы пока не знаем или, во всяком случае, не можем изучать так детально, как систему Юпитера, планетологи исследуют ее с большим энтузиазмом.

Различие в плотностях спутников свидетельствует о различной доле льда в их недрах. У Ганимеда и Каллисто доля водяного льда не менее 50% по массе. Немало воды и на Европе: вся ее поверхность покрыта толстым слоем льда. А вот на поверхности Ио воды не обнаружено совсем. Таким образом, чем ближе спутник к Юпитеру, тем больше в его составе тугоплавких и меньше летучих элементов. Планетологи объясняют эту закономерность тем, что молодой Юпитер был весьма горяч. Как маленькое солнышко он разогрел окрестности и лишил ближайшие спутники летучих элементов.


Ио

Ио — самый экзотический спутник в свите Юпитера. «Вояджеры» первыми обнаружили на ее поверхности десятки действующих вулканов, мощные извержения которых заметно меняют внешний вид поверхности Ио буквально за считанные месяцы. Это подтвердили и многолетние наблюдения с борта «Галилео», который обнаружил на Ио 74 новых вулкана, так что их общее число достигло 120. После того, как в конце 2002 г. «Галилео» прекратил свое существование, нырнув в атмосферу Юпитера, наблюдения за вулканической активностью Ио продолжились при помощи 10-метровых телескопов «Кек» с системой адаптивной оптики.


Хотя температура поверхности Ио не превышает —120°С, вблизи действующих вулканов она поднимается до +150°С, а в кальдере крупного вулкана Пеле зарегистрировано даже +300°С. В условиях крайне разреженной атмосферы и небольшой силы тяжести высота вулканических выбросов на Ио обычно достигает 100 км., а газовые султаны над самыми активными вулканами типа Пеле поднимаются на 300 км.! По склонам вулканов на сотни километров разливаются лавовые потоки.

Зная, как сильно мешает астрономическим наблюдениям земная атмосфера, кто-то однажды пошутил: «Хорошие астрономы после смерти попадают на Луну». В таком случае, рай для вулканологов, безусловно, — Ио.

Активная вулканическая деятельность на Ио в основном объясняется мощным приливным влиянием Юпитера. Из-за разницы в расстояниях ближней и дальней сторон спутника от планеты, действующее на них притяжение существенно различается. В результате Юпитер придает Ио чуть-чуть дынеобразную форму: спутник вытянут в направлении планеты примерно на 7 км. Этим бы все и ограничилось, если бы Ио обращалась вокруг Юпитера на неизменном расстоянии, т.е. по круговой орбите. Но массивные соседи-спутники сбивают Ио с кругового пути и вынуждают то чуть приближаться, то удаляться от Юпитера. От этого заметно меняется напряжение приливной силы и форма спутника, который от этого разогревается ровно так же, как кусочек пластилина, когда его разминают в руках. Вероятно, некоторый вклад в разогрев недр вносит и электрический ток, возникающий в теле Ио от того, что она движется в магнитном поле Юпитера.


Европа

Не менее интересен второй галилеев спутник — Европа, на изображениях поверхности которой видна система линий, напоминающая старинные рисунки каналов на Марсе. С одной стороны, на Европе практически нет крупных кратеров, что указывает на высокую активность геологических процессов. С другой стороны, там нет ни гор, ни разломов, ни других признаков тектонической активности. Европа, поверхность которой сплошь покрыта льдом, более других планет и спутников похожа на ровный бильярдный шар.


Эти трудно совместимые свойства Европы убедительно объясняются результатами теоретического моделирования ее внутреннего строения. По-видимому, под толстой ледяной корой спутника находится необъятный океан. Помимо жидкой воды Европа, кажется, имеет и другие компоненты, необходимые для жизни: заметное приливное влияние Юпитера служит ей источником тепла, а в трещинах ледового панциря, заметны следы органических соединений. Экзобиологи уже потирают руки в предчувствии находок в ледовитом океане Европы неведомых организмов. Для проверки этой гипотезы специалисты NASA работают над проектом космического аппарата, который проникнет сквозь ледяной покров Европы и, превратившись в подводную лодку, исследует первый внеземной океан.


Ганимед

Ганимед — крупнейший спутник Юпитера и вообще самый крупный спутник в Солнечной системе; он вдвое больше карликовой планеты Плутона и даже больше настоящей планеты — Меркурия. Можно было бы ожидать, что Ганимед, как гигант среди спутников, окажется и самым интересным среди них. Но, похоже, это не так.

«Вояджеры» и «Галилео» обнаружили на Ганимеде древние области, похожие на лунные материки, системы светлых и темных лучей вокруг молодых кратеров, а также некоторое подобие лунных морей. Две крупнейшие темные области на Ганимеде получили имена Галилей и Симон Марий.


На Ганимеде нет ни вулканов, ни гейзеров, ни следов атмосферы… Причина, вероятно, в том, что он расположен дальше от Юпитера, чем Ио и Европа, поэтому приливное влияние Юпитера действуют на Ганимед не так сильно, как на близкие спутники. Но и Ганимед не оставил планетологов без сюрприза: проходя вблизи этого спутника, «Галилео» обнаружил у него магнитное поле. Это дает повод предполагать наличие у Ганимеда металлического ядра диаметром около 500 км.


Каллисто

Почти вся поверхность самого удаленного из галилеевых спутников, — Каллисто, — покрыта древними кратерами. На нем отсутствуют равнины с малой плотностью кратеров (как морские области Луны или Ганимеда), присутствие которых обычно указывает на активность недр, обновляющих поверхность свежими излияниями. По-видимому, внутренняя жизнь Каллисто весьма пассивна. Благодаря этому поверхность спутника «читается» как летопись его далекого прошлого. Самая заметная запись на ней — система концентрических трещин Валгалла диаметром 2600 км.; как круги на воде они разбежались по поверхности спутника после удара гигантского метеорита. Эта выдающаяся деталь рельефа у Каллисто очень напоминает гигантский бассейн Равнина Жары на Меркурии, также, без сомнения, имеющий ударное происхождение.


Прочие члены системы Юпитера

Помимо галилеевых спутников Юпитер окружен многочисленной свитой мелких спутников диаметрами менее 200 км., а также темным разреженным кольцом, практически невидимым с Земли и впервые обнаруженным «Вояджерами». Пятый по размеру спутник Юпитера — Амальтея имеет форму картофелины с наибольшей длиной 270 км. и наименьшей 150 км.; она совершает оборот вокруг Юпитера за 12 земных часов, что лишь немного превышает юпитерианские сутки. А крохотные Метида и Адрастея диаметрами 40 и 20 км. движутся совсем близко к Юпитеру и облетают его всего за 8 часов, опережая суточное вращение планеты (подобно марсианскому Фобосу).

Далекие спутники Ананке, Карме, Пасифе и Синопе движутся на расстоянии более 20 млн. км. от Юпитера по сильно вытянутым орбитам с периодами около двух земных лет. Любопытно, что в отличие от других спутников Юпитера, они обращаются вокруг планеты в направлении, противоположном ее суточному вращению. Вообще, как правило, чем дальше спутник от Юпитера, тем более вытянута его орбита, и тем сильнее наклонена она к экватору планеты. Так что и в этом смысле система Юпитера представляет миниатюрную копию Солнечной системы. Галилеевы спутники можно уподобить классическим планетам, а мелкие спутники — малым телам Солнечной системы.


Кольца и спутники Сатурна

Направив телескоп на Сатурн в июле 1610 г., Галилей заметил по бокам планеты небольшие придатки. Открытые за полгода до этого спутники Юпитера навели его на мысль, что телескоп помог обнаружить свиту Сатурна. Для уточнения требовались дальнейшие наблюдения. Не желая терять приоритет открытия, Галилей поступил так, как делали все ученые в эпоху, когда еще не было научных журналов: он разослал коллегам анаграмму — фразу с описанием открытия, в которой нарочно перемешаны буквы. Только автор анаграммы знает, как из этого бессмысленного набора букв вновь составить фразу. Если открытие подтвердится и зайдет спор о приоритете, он сможет сослаться на дату письма. Анаграмма Галилея в переводе расшифровывалась так: «Высочайшую планету тройною наблюдал». Однако, спустя несколько месяцев, «придатки» Сатурна исчезли, а позже появились вновь, но Галилей так и не разгадал их тайну.

Христиан Гюйгенс (1629—1695), строивший вместе с братом Константином лучшие в то время телескопы, открыл в 1655 г. спутник Сатурна — Титан, а в 1656 г. заметил «придатки» Сатурна и составил свою анаграмму, гласившую: «Сатурн окружен тонким плоским кольцом, нигде с планетой не соприкасающимся и к эклиптике наклоненным». Спустя три года, окончательно убедившись в своей правоте, он объявил об открытии и расшифровал анаграмму. Причину периодического «исчезновения» кольца Сатурна Гюйгенс объяснил тем, что в результате орбитального движения планет Земля время от времени пересекает плоскость кольца, которое с ребра практически не видно.

Новые сведения о системе Сатурна добывались наземными методами с большим трудом. Достойно восхищения упорство наблюдателей, таких как Джованни Доменико Кассини (1625—1712), разглядевших еще в докосмическую эпоху несколько малых спутников и тонкую структуру кольца Сатурна.

Бесспорно, наличие колец у Сатурна делает его одним из наиболее популярных объектов у любителей астрономии. В небольшой телескоп легко различимы три основных кольца: внешнее А, среднее В и внутреннее С, а также деление Кассини между кольцами А и В. Космические исследования показали, что у Сатурна несколько тысяч тонких колец. Одна из научных статей, посвященных этим удивительным структурам, была названа «Безумный мир колец». Зонды «Вояджер-1 и -2» установили, что размер глыб в кольцах Сатурна доходит до нескольких метров, а их химический состав аналогичен составу спутников планеты (смесь водяного снега и силикатов).

Сейчас в системе Сатурна работает зонд «Кассини», который уже сделал ряд важных открытий. Например, по его снимкам, полученным 15 сентября 2006 г., было обнаружено два новых слабых кольца: одно совпадает с орбитой Януса и Эпиметея, другое — с орбитой Паллены. Оказалось также, что некоторые из ледяных частичек, выбрасываемых с поверхности Энцелада, вероятно, входят в состав одного из призрачных колец Сатурна — кольца Е. В отличие от знакомых всем ярких колец А, В и С, очень разреженное кольцо Е заметно с Земли только в те редкие эпохи, когда наша планета пересекает плоскость колец Сатурна; а происходит это примерно раз в 15 лет. Впервые кольцо Е астрономы увидели в 1966 г., а в 1980 г. его удалось сфотографировать. Цвет его оказался голубым. Лучшие изображения кольца Е были получены телескопом «Хаббл». Оказалось, что наиболее плотная и яркая часть кольца Е лежит на расстоянии 235 тыс. км. от центра Сатурна, т.е. практически совпадает с орбитой Энцелада. На изображениях, полученных «Хабблом», кольцо Е можно проследить до расстояния 480 тыс. км. Минимальную толщину (в вертикальном направлении) кольцо имеет в районе орбиты Энцелада, а с удалением от нее распухает, достигая на больших расстояниях толщины 15 тыс. км. и даже более.


Интересно отметить, что у внутренней кромки кольца Е располагается тоже очень слабозаметное кольцо G радиусом 170 тыс. км. и шириной всего 6000 км. Его обнаружили в 1979 г. по данным зонда «Пионер-11». Это кольцо имеет нейтральный цвет, указывающий на более крупный размер его частиц, представляющих реальную опасность для тех космических аппаратов, которые работают и еще будут работать в этой области системы Сатурна.


Титан — крупнейший и самый интересный спутник Сатурна. Он вполне оправдывает свое имя, лишь немного уступая крупнейшему спутнику в Солнечной системе — Ганимеду, — и так же, как он, превосходя размером Меркурий. Еще наземные наблюдения показали, что Титан имеет плотную атмосферу. Пролетая в 1981 г. через систему Сатурна, «Вояджер-2» обнаружил, что основным компонентом атмосферы Титана (как и земной атмосферы!) является азот (85%), а кроме него присутствуют аргон, метан и другие углеводороды. Похоже, атмосфера Титана напоминает атмосферу юной Земли в период зарождения жизни. А давление (1,6 атм.) и температура (95 К) у поверхности Титана таковы, что там возможно существование озер из углеводородов.


Существовало даже мнение, что плотная атмосфера Титана образовалась именно из-за наличия там биосферы. Однако для форм жизни, подобных земным, температура на поверхности Титана все же слишком низка. Во всяком случае, для астрохимии Титан представляется интереснейшим объектом исследования. В середине 2004 г. в систему Сатурна прибыл американо-европейский зонд «Кассини» с посадочным аппаратом «Гюйгенс», который 14 января 2005 г. опустился на поверхность Титана. Как и ожидалось, она выглядит безжизненной — слишком холодно! Но «Кассини» продолжает исследования Титана, регулярно пролетая мимо него. В полярных областях уже обнаружены области, очень похожие на углеводородные моря. Замечательная маленькая планета Титан становится все интереснее.

Среди остальных спутников Сатурна лишь Япет, Рея, Диона и Тефия имеют радиусы 500—800 км., а все прочие спутники заметно мельче. Интересно, что средняя плотность у спутников Сатурна близка к плотности водяного льда и не уменьшается с удалением от планеты, что характерно для галилеевых спутников Юпитера. Вероятно, причина в том, что молодой Сатурн излучал в космос намного меньше тепла, чем Юпитер, и температура даже на расстоянии 160000 км. от планеты (где расположен спутник Мимас плотностью 1,2 г/см3) не поднималась настолько, чтобы вода мигрировала в более холодные окрестности планеты. Разумеется, если сейчас спутники находятся именно там, где они сформировались.


Рис. Мимас.


Кстати, Мимас интересен не только тем, что это ближайший к Сатурну крупный спутник; он также обладатель огромного ударного кратера диаметром 130 км., что составляет 1/3 от диаметра самого спутника. Удивительно, как Мимас выдержал такое столкновение и не раскололся. Еще ближе к Сатурну, рядом с кольцами и внутри них движутся маленькие тела, среди которых Пан, Атлант, Прометей, Пандорра, Янус и Эпиметей.

Любопытен Энцелад, на поверхности которого найдены бескратерные районы. Средняя плотность Энцелада всего 1,1 г/см3, что указывает на преимущественно водный состав его недр. Об этом же говорит и идеально сферическая форма этого сравнительно небольшого спутника. Все это было известно довольно давно. Высказывались даже предположения, что несколько сотен миллионов лет назад на Энцеладе происходили извержения ледяных вулканов, выбросы которых омолодили поверхность. Однако никто не ожидал, что в наши дня на поверхности спутника бьют фонтаны. Тем не менее, это так. Наблюдения с борта «Кассини» показали, что струи воды (в виде пара и льдинок) взлетают над поверхностью Энцелада с такой силой, что частично даже улетают в космос.


Рис. Энцелад.


Эти струи были открыты на изображениях, переданных зондом «Кассини» в момент, когда, пролетая мимо Энцелада, он получил команду посмотреть назад, в направлении Солнца. Энцелад при этом был виден аппарату с ночной стороны, а небольшая часть его дневной стороны выглядывала из-за ночной как тонкий полумесяц. Рассеивающие солнечный свет частицы, выброшенные с поверхности спутника, должны быть хорошо видны с этого направления. Выбранная тактика наблюдений оказалась успешной: на полученном изображении видно несколько струй, вылетающих из тех мест, где раньше были обнаружены разломы поверхности — «тигровые полосы». Еще в июле 2005 г. «Кассини» обнаружил увеличенный поток частиц из этих областей, а в ноябре 2005 г. удалось сфотографировать и сами «гейзеры».


Исследователи полагают, что на снимках мы видим мелкие частицы льда, в который превратилась вода, вырвавшись из-под поверхности спутника в вакуум космического пространства. Вероятно, эти струи выбрасываться из «карманов», заполненных водой при температуре около 0°С. Вскипая при уменьшении давления, вода стремительно расширяется и выплескивается наружу, как в случае хорошо известного холодного гейзера в Йеллоустонском национальном парке (США). Большая часть воды, разумеется, падает на поверхность и замерзает. Но поскольку вторая космическая скорость на поверхности Энцелада всего около 200 м/с, часть выброшенного вещества устремляется в космос.

Эта находка уникальна тем, что прямо демонстрирует присутствие жидкой воды у поверхности небесного тела. Уже многие годы обсуждается подповерхностный океан, обнаруженный на спутнике Юпитера Европе. Но нужно помнить, что этот океан пока обнаружен лишь косвенно: на Европе о наличии внутреннего океана свидетельствуют геологические особенности поверхности, тогда как на Энцеладе прямо наблюдается водяной пар, выбрасываемый из источников, близких к поверхности.

Когда «Кассини» прибыл в систему Сатурна, он обнаружил, что окрестности планеты заполнены атомами кислорода. Тогда ученые не имели представления, откуда берется кислород. И только позже стало ясно, что Энцелад выбрасывает молекулы воды, которые расщепляются солнечным ультрафиолетом на кислород и водород. При этом за самим Энцеладом тянется шлейф из заряженных частиц.

Существование воды на Энцеладе открывает перед исследователями заманчивые перспективы. Данные, переданные с борта «Кассини», убеждают в том, что запасы жидкой воды находятся на глубине всего в несколько десятков метров под поверхностью Энцелада. Струи бьют из подповерхностных резервуаров, где жидкая вода имеет температуру около 0°С, хотя температура на поверхности Энцелада примерно —200°С. Такие приповерхностные запасы воды должны быть намного доступнее, чем, например, внутренний океан Европы, скрытый многокилометровой толщей льда. Жидкая вода на Энцеладе открывает перспективы для поиска внеземной жизни. Фактически это открытие существенно раздвигает границы, в пределах которых в Солнечной системе существуют условия, приемлемые для живых организмов.

Перед планетологами теперь встали новые вопросы. Почему Энцелад сейчас так активен? Существуют ли на его поверхности еще и другие активные места? Может ли быть эта активность настолько продолжительной, чтобы дать жизни шанс зародиться под поверхностью спутника? Весной 2008 г. ученые получат еще один шанс посмотреть на Энцелад, когда «Кассини» пролетит от него на расстоянии всего лишь 350 км. Правда, к тому времени ресурс аппарата уже будет близок к исчерпанию. Но главное сделано: наряду с Титаном, Энцелад теперь стал приоритетным объектом исследований в системе Сатурна и одним из самых притягательным мест для экзобиологов в Солнечной системе.


Рис. Гиперион размером 370×280×226 км.


Рис. Феба диаметр около 220 км.


У Сатурна много и других спутников, тоже очень интересных. Рея и Тефия внешне напоминают Луну и Меркурий. На поверхности Дионы обнаружены системы светлый лучей. Гиперион имеет неправильную форму и напоминает головку сыра. Япет давно интересовал ученых, ведь его блеск в ходе орбитального движения изменяется в 10 раз. Оказалось, что одно полушарие Япета темное, а второе светлое. Наиболее далекие спутники — Феба и другие, — скорее всего, были захвачены Сатурном из пояса астероидов.


Спутники Урана

Через несколько лет после открытия Урана (1781 г.) Вильям Гершель нашел и два крупнейших его спутника — Титанию и Оберон. В середине XIX в. стараниями Уильяма Ласселла (1799—1880) семейство известных спутников далекой планеты пополнили Ариэль и Умбриэль. А спустя еще столетие Джерард Койпер (1905—1973) открыл пятый крупный спутник — Миранду.

По поводу этих имен заметим, что здесь астрономы сильно отступили от традиции давать планетам и их спутникам грекоримские мифологические имена. Гершель нашел имена «Оберон» и «Титания» в комедии Уильяма Шекспира (1564—1616) «Сон в летнюю ночь»; в комедии Шекспира «Буря» Койпер нашел «Миранду». Имена «Ариэль» и «Умбриэль» взяты Ласселлом из пьесы английского поэта Александра Попа (1688—1744).

Даже крупнейшие спутники Урана сравнительно невелики: диаметры Титании и Оберона чуть больше 1500 км., а Умбриэль и Ариэль немногим более 1000 км. Наблюдение этих спутников доступно только тем любителям астрономии, которые имеют мощные телескопы диаметром не менее 20 см. Большая удаленность от Солнца затрудняет получение надежных сведений о системе Урана. Еще 20 лет назад астрономы знали только параметры орбит крупных спутников Урана и гадали об их размерах, химическом составе и отражающей способности поверхности.

Пролет «Вояджера-2» вблизи Урана в 1986 г. впервые позволил рассмотреть эту «лежащую на боку» планету-гигант и точно так же «лежащее на боку» семейство ее колец и спутников. На снимках, переданных «Вояджером», были открыты десять небольших спутников Урана, крупнейший из которых — Пак — имеет диаметр 170 км., а остальные похожи на заурядные астероиды поперечником 50—80 км. Впрочем, крупные спутники точнее было бы сравнить с ядрами комет, поскольку их средняя плотность около 1,5 г/см3. По-видимому, они состоят из водяного льда с примесью силикатов.

Фотографии спутников Урана произвели сильное впечатление не только на специалистов. На поверхности маленькой Миранды обнаружились необычные структуры размером в сотни километров, напоминающие своей формой стадион, а точнее — ипподром. Отсутствие древних кратеров на значительной части поверхности указывает на геологическую активность Миранды Это удивительно, ведь она значительно меньше Луны, поверхность которой усеяна древними кратерами. Специалисты объясняют активность Миранды приливным влиянием Урана.


Рис. Миранда.


Рис. Ариэль.


На Ариэле обнаружилась причудливая система рифтовых долин — разломов ледяной коры, ветвящихся на сотни километров в длину и достигающих 10 км. в глубину. В долинах видны следы движения ледников; на поверхности мало метеоритных кратеров, но хорошо заметны светлые отложения — следы «ледяного вулканизма». Одним словом, Ариэль демонстрирует многочисленные признаки недавней (в геологическом масштабе времени) активности недр. А вот поверхность Умбриэля оказалась необычайно темна и не имеет никаких следов геологической активности! Титания покрыта системой пересекающихся извилистых долин, похожих на русла марсианских «высохших рек». На Обероне обнаружены светлые лучи вокруг ударных кратеров.

Планетологи не ожидали, что визит «Вояджера-2» к Урану откроет перед ними столь разнообразный мир малых тел. Теперь они понимают, что геологической активности спутников, помимо приливного влияния Урана, благоприятствует состав их недр: текучесть льдов, образовавшихся из воды и других летучих веществ, значительно выше текучести силикатных минералов. Если бы спутники Урана состояли из каменных пород, то мы бы не увидели на их поверхности таких необычных деталей.


Спутники Нептуна

Крупнейший спутник Нептуна — Тритон был открыт У. Ласселлом 10 октября 1846 г., спустя полмесяца после предсказанного небесными механиками обнаружения самой планеты. Это открытие сразу же признали чрезвычайно важным. Дело в том, что зная блеск Тритона (13,5m) и его расстояние от Земли и от Солнца, можно оценить диаметр спутника, который оказывается близким к диаметрам Луны, Титана и галилеевых спутников Юпитера. После обнаружения Гюйгенсом Титана почти два века не открывали таких крупных спутников. И хотя космические зонды уже в XX в. доказали, что Тритон наименьший в ряду крупных луноподобных спутников, он все же оправдал надежды астрономов, и показал себя интересной планеткой с разнообразной природой.


Рис. Тритон.


Наблюдения с Земли позволили определить параметры орбиты Тритона, и выяснилось необычное обстоятельство: он единственный из крупных спутников обращается вокруг планеты в обратном направлении. Этот факт породил немало гипотез о происхождении как самого Тритона, так и похожей на него планеты Плутон, орбита которой заходит внутрь орбиты Нептуна. В 1977 г. спектральный анализ отраженного Тритоном света показал, что у спутника есть разреженная атмосфера, содержащая метан, а на поверхности, возможно, лежит метановый иней. Но все же изучение этого далекого мирка продвигалось медленно. Например, еще в 1970-е гг. некоторые исследователи оценивали радиус Тритона в 3000 км., т.е. преувеличивали его более чем вдвое.

Усилия наблюдателей были направлены на поиск новых спутников Нептуна. Но удача больше не улыбнулась ни Ласселлу, ни Уильяму Кристи (1845—1922), ни Джону Шеберле (1853—1924). И только Койпер в 1949 г. на фотопластинках, снятых на обсерватории Мак-Дональд (США), заметил слабую звездочку 19,5m, следующую по небосклону вслед за Нептуном. Новый спутник назвали Нереидой. Трудно найти более несхожую пару: Тритон обращается по круговой орбите, а Нереида то приближается к планете на 1,4 млн. км., то удаляется почти на 10 млн. км. Вытянутые орбиты характерны для небольших спутников планет-гигантов, скорее всего, захваченных ими из пояса астероидов. Но диаметр Нереиды (340 км.) слишком велик для рядового астероида. Впрочем, не исключено, что за орбитой Нептуна — в Поясе Койпера — немало таких тел.

Новую страницу в изучении семейства Нептуна открыл «Вояджер-2», обнаруживший шесть новых спутников: Наяда, Таласса, Деспина, Галатея, Ларисса и Протей. Лишь последний превышает размером Нереиду; остальные спутники — это малыши поперечником 50—200 км. Несмотря на радость обнаружения новых объектов, наибольший интерес у планетологов вызвали изображения старого знакомца — Тритона. Оказалось, что температура его поверхности всего 38 К, но при этом существует тончайшая азотная атмосфера, в десятки тысяч раз уступающая по плотности земной. На розоватой поверхности Тритона обнаружились любопытные геологические детали, включая крупные разломы, полярную шапку и даже мощные метаново-азотные гейзеры. В разреженной атмосфере Тритона были замечены облака, а еще выше обнаружена ионосфера и слабые полярные сияния. Ну чем не планета! Жаль, что Нептун находится так далеко, и до него не скоро доберутся новые космические аппараты.


Спутники Плутона

Хотя Плутон был переведен недавно из разряда классических планет в группу планет-карликов, он не стал от этого менее интересным для астрономов. Скорее наоборот: как далекий объект, трудный для изучения, он постоянно бросает вызов опытным наблюдателям.

Спутник Плутона Харон был открыт случайно. В июне 1978 г. Джеймс Кристи из Морской обсерватории США, просматривая свежие фотопластинки, полученные на 155-см астрометрическом телескопе (Флагстафф, шт. Аризона), заметил, что изображение Плутона на них не совсем симметричное: круглая «клякса» имеет чуть заметный выступ. Кристи и его коллега Роберт Харрингтон пересмотрели пластинки прошлых лет, вплоть до 1965 г. и обнаружили, что на некоторых из них, снятых при особенно высокой четкости изображений, также заметен выступ, причем от ночи к ночи он смещается. Сомнения исчезли — это спутник!

Так еще раз подтвердилась старая истина: «Увидеть можно лишь то, что ты готов увидеть». Похоже, что астрономы Флагстаффа постоянно готовы видеть все новое, связанное с Плутоном: ведь открытие спутника произошло всего в шести километрах от обсерватории Ловелла, где в 1930 г. открыли саму планету.

Кристи предложил назвать спутник Хароном: согласно греческой мифологии, так звали лодочника, перевозившего души умерших людей через реку Стикс в Аид, царство Плутона. Все попытки отыскать другие спутники Плутона в течение четверти века оставались безрезультатными. Но и находка одного Харона чрезвычайно обрадовала астрономов. Были использованы все возможности для детального изучения этой странной парочки. Определив орбитальный период Харона (6,387 сут.) и его расстояние от центра планеты (19600 км.), наконец-то удалось вычислить массу Плутона (конечно, в сумме с Хароном): их общая масса оказалась неправдоподобно малой, в 400 раз меньше массы Земли. Систему Плутон-Харон с еще большим правом, чем систему Земля-Луна, можно назвать двойной планетой. Ведь Харон всего лишь в 8 раз уступает по массе Плутону, тогда как Земля массивнее Луны в 81 раз. К тому же Харон в 20 раз ближе к Плутону, чем Луна к Земле.

Удача этого открытия состоит еще в том, что орбита спутника в те годы оказалась направлена своей плоскостью почти точно на Землю: с 1988 по 1991 гг. наблюдались взаимные затмения Плутона и Харона, которые позволили определить их диаметры и даже выявить крупные пятна на поверхности. Следующая такая удача представится только в начале XXII века!

По результатам затмений диаметр Харона был оценен в 1200 км., лишь вдвое меньше диаметра Плутона (2300 км.). При этом их средние плотности оказались близки — около 2 г/см3. Скорее всего, недра этих микро-планет состоят из льда и силикатных пород. Температура поверхности Харона не превышает 50-60 К, поэтому там могут конденсироваться многие летучие соединения. Еще недавно этим ограничивались наши знания о Хароне, но в 2005 г. удалось исследовать его более детально. Помогло редкое событие — покрытие звезды.

Любопытно, что предсказал это событие любитель астрономии: в 2004 г. австралиец Дейв Геральд рассчитал, что 5 июля 2005 г. Харон должен будет закрыть собой слабенькую звезду 15m в созвездии Змеи. Поскольку блеск самой пары Плутон-Харон составляет около 14m, то «временное отключение» звезды могло быть легко замечено в телескоп подходящего размера. Расчеты показали, что покрытие должно быть видно из некоторых мест в Южной Америке, включая гору Серро-Паранал на севере пустыни Атакама (Чили), где расположен крупнейший комплекс 8-метровых телескопов VLT (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории.

Покрытия звезд давно уже помогают астрономам измерять размеры малых или очень далеких тел, фигуры которых в телескоп неразличимы. Зная скорость движения тела и измерив длительность затмения звезды, легко можно вычислить размер тени, который в точности равен размеру самого тела, поскольку от звезды приходит практически параллельный пучок света. Кроме того, в моменты начала и конца затмения, по тому, насколько резко пропадает или появляется свет звезды, можно выявить наличие у затмевающего тела атмосферы, причем даже весьма разреженной.

К сожалению, угловой диаметр Харона на небе очень мал — всего 0,055", что соответствует видимому размеру двухрублевой монеты с расстояния 100 км. Поэтому покрытия Хароном звезд наблюдаются очень редко и точно рассчитать траекторию его тени нелегко. Но в последние годы ситуация стала лучше: созданы большие телескопы, позволяющие наблюдать слабые звезды. Звездные каталоги стали точнее, что повышает точность прогноза покрытий. Наконец, система Плутон-Харон в настоящее время видна на фоне богатого звездами Млечного Пути, что увеличивает шансы покрытий. В июле 2005 г. покрытие наблюдалось при помощи огромного телескопа системы VLT, оснащенного адаптивной оптикой, а также другими телескопами в Чили и Аргентине.

Точная регистрация моментов покрытия в разных обсерваториях позволила оконтурить тень Харона и определить диаметр спутника: 1207±2 км. Средняя плотность Харона оказалась равной 1,71±0,08 г/см3. Такая плотность указывает, что мы имеем дело с каменно-ледяным телом в пропорции примерно 1:1. Любопытно, что плотность Харона теперь известна точнее плотности Плутона, которая оценивается в 2 г/см3.

Атмосферу Харона в момент покрытия заметить не удалось. Если даже она есть, ее давление у поверхности спутника меньше одной десятимиллионной давления земной атмосферы, т.е. менее 0,1 микробара. Это не удивительно: при царящей на поверхности Харона температуре в —220°С тяжелые газы (Н2О, СО2,…) замерзают, а легкие (водород, гелий) не удерживаются слабой гравитацией и рассеиваются в космосе. В отличие от Харона, у Плутона атмосфера замечена, хотя и не очень «знатная»: ее давление у поверхности составляет 10—15 микробар, что минимум в 100 раз выше, чем у Харона. Сравнивая Плутон с Хароном, мы весьма точно ощущаем грань между телами с атмосферой, хотя бы и предельно разреженной, такими как Плутон, и абсолютно безвоздушными телами, такими как Харон.

Вот, пожалуй и все, что сейчас известно о далеком Хароне — гигантском спутнике карликовой планеты.

Но сюрпризы от Плутона продолжаются. В мае 2005 г. на серии снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл», вблизи Плутона были замечены два новых тела. Ими  оказались небольшие спутники диаметром около 100 км. каждый, обращающиеся приблизительно втрое дальше Харона. Через год им дали имена — Гидра (Hydra) и Никта (Nix). Оба имени вполне подходят мрачной компании Плутона. В греческой мифологии Никта (иногда — Никс) — это богиня ночи, антипод богине дня, одно из движущих начал мироздания. Обитает Никта в бездне тартара, там же, где Аид и его одноименное царство мертвых. А Гидра — это, очевидно, та самая девятиглавая змея, которую убил Геракл. Кроме мифических имен об этих спутниках мало что известно. Но ждать осталось недолго: 19 января 2006 г. к Плутону стартовал зонд «New Horizons» (NASA), который пролетит мимо Плутона и его спутников в июле 2015 г.


Рис. Плутон с семейством своих спутников.


Среди прочих планет-карликов, а всего их пока три, Церера вообще не имеет спутников, а у Эриды пока найден лишь один спутник — Дисномия (Dysnomia, Eris I). Его окрыли 10 сентября 2005 г. с телескопом «Кек» при использовании системы адаптивной оптики с искусственной (лазерной) звездой. Максимальное расстояние Дисномии от Эриды 0,7", а блеск 23m. Дисномия обращается по орбите радиусом 37,4 тыс. км. с периодом 15,77 сут. По фотометрическим данным ее диаметр около 150 км. Наблюдение за движением спутника показало, что масса системы Эриды на треть больше, чем системы Плутона.


Кольца планет

В определенном смысле спутниками планет являются также их кольца. Долгое время считалось, что кольца Сатурна — это уникальное явление в Солнечной системе. Однако в 1970-е и 80-е гг. были открыты разреженные кольца Юпитера, Урана и Нептуна. Для сравнения: полная масса колец Урана равна массе маленького спутника диаметром 15 км., тогда как масса колец Сатурна в 1000 раз больше, и для их «изготовления» пришлось бы разрушить спутник диаметром 150 км. А кольца Нептуна вообще не замкнуты и напоминают по своему внешнему виду арки.


Каждая новая экспедиция к планетам-гигантам приносит неожиданные данные об их кольцах. Теперь ясно, что система спутников, как и система колец — неотъемлемый признак планеты-гиганта. Но пока не ясно, связано ли между собой происхождение спутников и колец. И почему кольца Сатурна значительно ярче, чем кольца остальных планет-гигантов? Один французский астроном сказал, что кольца планет подобны духам: малое количество вещества создает сильные эмоции… Действительно, физика планетных колец относится к наиболее интересным областям современной планетологии.


Заключение

Мы познакомились со спутниками планет. Сделаем некоторые выводы о свойствах этих небесных тел. Очевидно, что внешний вид спутника, его внутреннее строение и история зависят от его массы, размера и расстояний как от Солнца, так и от своей планеты. Если поперечник спутника не превышает нескольких сотен километров, то обычно он имеет неправильную форму. История таких небольших тел целиком определяется метеоритной бомбардировкой их поверхности. По мере увеличения размеров спутников возрастает роль внутренних процессов в формировании их облика. Спутники размером с Луну обладают ярко выраженной индивидуальностью: сравните, например, Ио, Луну и Европу. Чем больше размер спутника, тем сложнее, как правило, его внутреннее строение.

По мере увеличения расстояния от Солнца температура поверхности спутников становится меньше; это отражается на химическом составе грунта. Например, на Луне днем температура достигает +130°С, поэтому в лунном грунте летучие соединения почти отсутствуют. А на спутниках Юпитера и Сатурна водяной лед и оксид серы испаряются довольно медленно, поэтому там они лежат на поверхности. На окраине Солнечной системы, на спутниках Нептуна и Плутона, стабилен не только водяной лед, но и льды из метана и молекулярного азота.

Спутники планет недостаточно массивны для того, чтобы удерживать мощную атмосферу, как у Земли или Венеры. Но чем дальше от Солнца, тем меньше тепловая скорость молекул газа и тем легче небольшому небесному телу сохранить свою атмосферу. Поэтому на близкой к Солнцу Луне практически нет атмосферы, а спутник далекого Сатурна Титан обладает мощной атмосферой, по плотности сравнимой с земной. Кроме того, разреженная газовая оболочка обнаружена у галилеевых спутников Юпитера и у Тритона.

В исследовании планет и их спутников в последние десятилетия основную роль играли космические зонды. Создание телескопов нового поколения отчасти возвращает утерянный приоритет наземной астрономии. Совместное использование астрономической и космической техники сулит еще много замечательных открытий в Солнечной системе. Сейчас разрабатываются космические аппараты для мягкой посадки на поверхности Европы и Фобоса, а Сатурн и его спутники продолжает исследовать зонд «Кассини» с приборами для изучения Титана. Интересы планетологии сейчас направлены на спутники планет не меньше, чем на сами планеты. Вспомним кстати, что спутники есть не только у крупных планет, но и у астероидов и, возможно, даже у ядер комет. В целом, спутники сейчас кажутся весьма притягательным объектом исследования, а возможно, и будущей колонизации.


Литература

Бурба Г.В. Номенклатура деталей рельефа галилеевых спутников Юпитера. М.: Наука, 1984.

Ксанфомалити Л.B. Спутники внешних планет и Плутон. М.: Знание, 1987.

Марков Ю. Курс на Марс. М.: Машиностроение, 1989.

Силкин Б.И. В мире множества лун. М.: Наука, 1982.

Тейфель В.Г. Планеты-гиганты. М.: Наука, 1964.

Спутники Юпитера. Под ред. Д. Моррисона. М.: Мир, 1986.


Глава XIII


ПЫЛЕВЫЕ ОКОЛОПЛАНЕТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ


Единственным известным пылевым комплексом в Солнечной системе долго оставалось кольцо Сатурна. Позднее к нему был добавлен пояс малых планет, зодиакальный свет, кольца всех планет-гигантов, гипотетический рой частиц вокруг орбит спутников Марса. Лавина наблюдательных данных, полученных земными обсерваториями и космическими аппаратами, позволяет, по крайней мере частично, понять строение, происхождение и жизнь комплексов, о чем и идет речь в статье.


Введение

Во времена И. Ньютона Солнечная система представлялась совершенной пустотой, в безбрежных просторах которой плавали планеты с их немногочисленными спутниками. Уникальным и странным образованием на краю системы маячил Сатурн с его кольцом непонятной природы. Позднее математики (среди них такие корифеи, как П. Лаплас, Дж. Максвелл, С.В. Ковалевская, П.Г. Боль) доказали, что сплошным твердым телом кольцо быть не может. Если даже оно сделано из идеального сверхпрочного материала, выдерживающего приливные и центробежные нагрузки, из-за неустойчивости своего движения оно должно за короткое время врезаться в центральную планету. В действительности же оно должно рассыпаться на множество осколков. Теперь известно, что кольцо Сатурна представляет собой практически плоский рой частиц — от пылинок до декаметровых глыб. Первое экспериментальное подтверждение этого факта принадлежит пулковскому астроному А.А. Белопольскому, определившему по доплеровскому смещению спектральных линий лучевые скорости частиц. Оказалось, что угловая скорость тем выше, чем ближе частица к планете в согласии со вторым законом Кеплера.

В системе Сатурна благодаря его большой сплюснутости выделенное положение занимает экваториальная плоскость. Теоретики быстро выяснили, что плотный рой частиц вблизи сжатой планеты просто обязан быть плоским экваториальным. Частые неупругие столкновения гасят поперечные и радиальные колебания и выравнивают трансверсальные скорости в соответствии с законом площадей, так что частицы, первоначально заполнявшие торообразную область, быстро переходят на круговые орбиты в экваториальной плоскости.

Возвращаясь в прошлое, отметим, что кольцо Сатурна стало первым известным в Солнечной системе пылевым комплексом — так будем называть собрание твердых частиц размерами от микрометра до километра. Позднее выяснилось, что в известном смысле вся Солнечная система представляет собой подобный комплекс. В поясе малых планет из-за постоянных столкновений образуется множество все более мелких частиц. К такому же результату приводит дезинтеграция комет. Указанные частицы мы регистрируем как метеоры и метеориты. Мелкая фракция проявляет себя как зодиакальный свет, перемещаясь к Солнцу благодаря эффекту Пойнтинга-Робертсона. Последний означает торможение солнечным излучением: даже падающие перпендикулярно траектории солнечные фотоны имеют относительно движущейся частицы компоненту скорости, направленную против движения, т.е. тормозящую, подобно тому как вертикально идущий в безветренную погоду дождь бьет бегущему всегда в лицо. Гелиоцентрические пылевые пояса обладают интереснейшими свойствами, но нельзя объять необъятное, и дальше мы будем говорить лишь о планетоцентрических комплексах, упомянув об околосолнечном лишь ради общей картины.

Вплоть до недавнего времени кольцо Сатурна считалось уникальным, не имеющим аналогов и потому с величайшим трудом поддающимся исследованию. Даже два основных вопроса оставались без ответа. Во-первых, откуда кольцо взялось? Во-вторых, почему оно не исчезло? Обсуждалась гипотеза образования кольца разрушением спутника приливными силами. Но обоснованность гипотезы едва превышала уровень знаменитого «а почему бы и нет!» С ответом на второй вопрос было еще хуже. Кольцо из камушков и песчинок несравненно устойчивее сплошного. Но и оно за миллиарды лет существования Солнечной системы должно было по существовавшим в небесной механике представлениям разрушиться. Время от времени столкновения частиц друг с другом все же происходят. Орбитальная энергия в результате этих процессов перераспределяется и в среднем уменьшается. Небольшая часть метеороидов кольца покидает систему Сатурна, большая выпадает на его поверхность. За космогоническое время кольцо должно если не исчезнуть, то истончиться и перестать быть видимым с Земли даже в крупные телескопы. Логика подсказывает три возможных решения парадокса видимости мощного кольца.

1. Существуют процессы, синхронизирующие движения частиц (исключающие столкновения или поддерживающие около-круговые траектории несмотря на столкновения). Кольцо в целом устойчиво. Сегодня его вид несильно отличается от того, который возник к концу эпохи формирования системы Сатурна.

2. Нам просто повезло: кольцо образовалось сравнительно недавно, при саблезубых тиграх. Когда его заметят с галактики Сомбреро, наши потомки застанут лишь жалкие остатки украшения Сатурна.

3. Существует источник пополнения частиц, как в случае водопада. Мы видим стационарную картину потому, что упавшие частицы воды все время замещаются новыми. Разница лишь в скорости замещения — миллионы лет и секунды соответственно.


Кольцо Сатурна теряет уникальность

Разрешить проблему для уникального объекта необычайно трудно. Помощь пришла неожиданно. В 1977 г. произошло покрытие Ураном слабой звезды SAO 158687. Регистрация события дает важную информацию об орбите Урана и свойствах его атмосферы, и потому наблюдения велись на нескольких обсерваториях. Измерялась яркость звезды. Ожидался такой вид фотометрической кривой: горизонтальная прямая, дифракционные колебания, нулевой уровень и симметричное повторение явления. Вместо этого до покрытия блеск звезды снижался несколько раз, и симметричная картина повторилась после покрытия. Был сделан вывод, впоследствии полностью подтвердившийся, что Уран обладает системой колец, как и Сатурн. Только кольца Урана несравненно менее мощные, к тому же они состоят из очень черных частиц в отличие от покрытых белым инеем метеороидов вокруг Сатурна. В 1979 г. тонкие кольца были открыты у Юпитера зондом «Вояджер-1». Вскоре они были вновь сфотографированы «Вояджером-2». Эти два космических разведчика принесли феноменальную информацию о планетах-гигантах. «Вояжер-2» в 1989 г. открыл кольца Нептуна.

Уместно заметить, что еще в 1960 г. С.К. Всехсвятский предсказал существование колец Юпитера: некоторые полосы в экваториальной зоне планеты киевский астроном интерпретировал как тень от тонкого кольца, расположенного в экваториальной плоскости. Поскольку наклон последней к орбитальной плоскости всего 3° в отличие от 26° для Сатурна, то тень чрезвычайно узка. Так как столь узкая полоска на грани или даже за гранью ошибок наблюдений, то выводы Всехсвятского не были признаны астрономическим сообществом.

Кольца далеких планет обладают общими чертами: чрезвычайно плоские, разделенные несколькими промежутками. Есть, разумеется, и большие различия: лишь у Сатурна система столь мощна, что колечки для земного наблюдателя сливаются в сплошные кольца шириной, сравнимой с диаметром центральной планеты. С борта космического зонда видна их тонкая структура, напоминающая граммофонную пластинку. Есть и множество других удивительных деталей. Перечислим самые интересные свойства колец Сатурна.

* Они расслаиваются на отдельные колечки шириной вплоть до долей километра.

* Присутствуют и никак не ожидавшиеся радиальные структуры — спицы, живущие несколько часов.

* Существует несколько устойчивых некруговых эллиптических колечек.

* По мощным кольцам регулярно прокатываются спиральные волны плотности и изгибные волны.

* Спектр масс частиц простирается от микрометровых пылинок до декаметровых глыб. Стометровые практически отсутствуют.

* В частицах метрового размера заключена основная масса кольца. Поражает ничтожная толщина кольца — от 5 до 30 м.! Лишь внешние, чрезвычайно разреженные кольца G и Е имеют заметную толщину в сотни (G) и десятки тысяч (Е) километров.

* Сатурн обладает обширной системой из 60 спутников размерами от 3 до 5150 км., часть из которых движется в щелях между кольцами. Внутри же внешнего пылевого кольца Е движутся сразу десять спутников.

Кольца остальных планет-гигантов содержат гораздо меньше материи. У Юпитера кольца сплошные, широкие, круговые. На краю Главного кольца движутся два из 63 спутников планеты, внутри Паутинного кольца — еще два. Самое внутреннее кольцо погружено в гало заметной толщины.

Уран обладает десятком узких плотных колечек с эксцентриситетами до 0,01 и наклонами к плоскости экватора до 0,06°. Эксцентричные колечки имеют переменную ширину — наименьшую в перицентре и наибольшую в апоцентре. Промежутки между кольцами заполнены мелкой пылью. Пыль во внутренней области быстро оседает на планету, тормозясь ее обширной атмосферой.

В системе Нептуна два ярких узких колечка и два широких разреженных. Ярчайшее кольцо имеет три значительных уплотнения, которые только и можно наблюдать с Земли. Поэтому первоначально говорили об арках или разорванных кольцах Нептуна. Из 13-ти спутников Нептуна четыре находятся на краю или между кольцами.

«Вояджеры» открыли еще одно интересное для нас образование — плазменный тор вокруг орбиты первого галилеева спутника Юпитера Ио. Рой этот состоит не из пылинок, а из ионизованных атомов и молекул серы с примесью других веществ. Он не уплощен: меридиональное сечение тора напоминает эллипс со сравнимыми полуосями.

В результате описанной лавины открытий кольцо Сатурна потеряло уникальность. Вопрос «Откуда у Сатурна кольцо?» дополнился другим: Почему у планет земной группы нет колец? Мы можем хотя бы частично ответить на оба взаимосвязанных вопроса. «Частично» потому, что детальная информация с борта космических зондов охватывает годы для Юпитера и Сатурна, но ограничена временем порядка суток для Урана и Нептуна — практически мгновенные фотографии. Наблюдения от Земли, хотя и приносят некоторые результаты (например, космический телескоп «Хаббл» в 2003-05 гг. открыл два новых кольца Урана), не обладают желаемой детальностью. И все же полученные данные достаточно полны. По-видимому, уже открыты все крупные спутники планет диаметром более 20 км. и все сколько-нибудь плотные кольца.


Жизнь колец

Анализ динамики спутников и частиц кольца показывает неразрывную связь последнего с обширной системой спутников. Прежде всего это синхронизация периодов обращения частиц, вызванная резонансами с периодами обращения спутников. В небесной механике хорошо известно, что резонансы вызывают сильные возмущения в кеплеровском движении частиц, приводящие в разных случаях либо к выметанию частиц из зоны резонанса (щель Кассини между основными кольцами Сатурна — резонанс с движением Мимаса), либо к повышению устойчивости орбиты. Тонкая структура колец — результат игры резонансов. Спиральные волны, спицы — все это тоже обязано взаимодействию ансамбля частиц со спутниками. Таким образом, спутники создают динамическую картину колец и стабилизируют ее.

Но роль спутников этим не исчерпывается. Действует следующий многоступенчатый механизм. Раз в несколько сот миллионов лет достаточно большие тела размером в несколько километров сталкиваются с крупными спутниками, например, Сатурна. Удар с космической скоростью приводит к откалыванию нескольких тел размером в десятки и сотни километров. Гораздо чаще более мелкие пришельцы, а также взаимные столкновения приводят к дальнейшему дроблению вплоть до песчинок и пылинок. Пылевой комплекс возникает как результат динамического равновесия. Частицы его выпадают обратно на спутники, оседают на планету, а взамен их поступают новые. Равновесие это отнюдь не абсолютное. После крупного столкновения в систему впрыскивается огромное количество материала, а в промежутках между катастрофами пояса истончаются.

Раскрывается удивительная картина. Похоже, все три приведенные выше причины, решающие загадку колец, действуют! Но по порядку.

Представляется несомненным, что первичные кольца возникли на поздней стадии формирования Солнечной системы. В близкой к планете зоне приливные силы препятствовали возникновению спутников, и материя осталась собранной в тела размерами до десяти — максимум ста метров. Дальше гравитационное взаимодействие колец и спутников привело к структурированию колец и сообщило им динамическую устойчивость.

Столкновительный механизм, созидающий и разрушающий кольца, безусловно, также действует. Так, в системе Урана лишь внешнее плотное колечко ε находится вне аэродинамической опасности. Частицы остальных тонких колец должны были бы выпасть на планету из-за сопротивления протяженной атмосферы. Снимки с «Вояджера-2» показывают шлейф мелкой пыли от ε вниз. Таким образом, все внутренние кольца Урана — это просто зоны, где пыль задерживается на некоторое время, прежде чем выпасть на планету.

Кольцо Е Сатурна — также результат динамического равновесия потоков вещества, поступающего от недавно открытых ледяных фонтанов Энцелада и от метеоритных ударов по поверхностям спутников в этой области и постепенно выпадающего из системы. Вообще большинство колец, как и мы с вами, живет за счет постоянного обновления материи, из которой они состоят. Роль столкновительного механизма пока неясна лишь для главных, наиболее плотных и устойчивых колец из крупных частиц. Часть ученых считают, что главные кольца — реликтовые образования, содержащие частицы многомиллиардолетнего возраста. Другая часть склоняется к тому, что продленный спутниками период полураспада кольца менее миллиарда лет, и мы наблюдаем пылевые комплексы, частицы которых значительно моложе планет и спутников. Кольца Юпитера, Урана, Нептуна — относительно старые равновесные образования; кольцо Сатурна относительно молодо и теряет вещества больше, чем получает извне.

Для решения вопроса желательны и новые экспериментальные данные, и усилия теоретиков. Нужно рассчитать поведение комплекса на 5 млрд. лет. Это гораздо труднее, чем на относительно короткий срок, так как — на первый взгляд — пренебрежимо малые силы могут изменить поведение системы. Вот простой пример. За тысячу лет из-за эффектов теории относительности перигелий Меркурия смещается на 7′, т.е. всего на четверть видимого с Земли диаметра Луны. Но за миллиард лет перигелий совершит 332 лишних оборота вокруг Солнца! Будем надеяться, что в ближайшее время возраст колец будет надежно установлен.


Где кольца внутренних планет?

Теперь ясна и ситуация с внутренними планетами. Меркурий и Венера лишены спутников и могли бы иметь лишь первичные кольца — механизм пополнения отсутствует. Но физические условия во внутренней области Солнечной системы гораздо менее благоприятны для выживания колец. Кольца из льда и инея (как у Сатурна) просто бы испарились. Силикатные или угольные частицы (как у Урана) вплоть до метровых размеров за миллиард лет упали бы на Венеру (на Меркурий гораздо раньше) под действием эффекта Пойнтинга-Робертсона.

Около Земли эффект Пойнтинга-Робертсона действует лишь в два раза слабее, чем у Венеры, и тоже должен разрушить гипотетическое первичное кольцо. Кроме того, сильным разрушителем в первый миллиард лет существования Земли была тяжелая Луна, находившаяся тогда в несколько раз ближе к Земле. Массивность Луны лишает нас и обновляющегося кольца. Как известно из опытов со сверхскоростными столкновениями, падение метеорита на поверхность небесного тела вызывает выброс огромных масс вещества: в 1000 и даже в 10000 раз больше массы ударника. В соответствии с законом сохранения энергии скорость вылетающих осколков раз в сто ниже. Поскольку вторая космическая скорость на поверхности Луны достаточно велика (2,4 км/с), то выброшенное вещество падает обратно на Луну и космос остается чистым. В действительности ситуация несколько сложнее. Осколки вылетают с разными скоростями, и ничтожная их часть все же попадает на геоцентрические орбиты. Поэтому плотность материи в околоземном пространстве чуть выше, чем в межпланетном. И на Земле в коллекциях метеоритов присутствует несколько десятков лунных осколков. Все же настоящего пылевого комплекса вокруг Земли быть не может, по крайней мере пока в Луну не врежется малая планета в десятки километров диаметром. Подобные события случаются раз в сотни миллионов лет, если не реже.

Обратимся к четвертой планете — Марсу. У него два крохотных спутника — Фобос и Деймос. Это, конечно, немного по сравнению с обширными семействами планет-гигантов. И все же описанный механизм запыления околомарсианского пространства должен действовать. По нашим расчетам, вокруг орбит Фобоса и Деймоса должны существовать торообразные рои мелких частиц. Плотность материи в них значительно ниже, чем в кольцах Сатурна, но все же в 104 — 106 раз выше плотности межпланетной среды. Марсианские пылевые комплексы объемны, концентрация к экваториальной плоскости существует, но выражена нерезко. Мы надеемся, что в ближайшем будущем экспедиции к Красной планете обнаружат предсказанные рои метеороидов, связанные с Фобосом и Деймосом, и исследуют их свойства.


Заключение

Роль метеоритной бомбардировки в жизни пылевых комплексов планет-гигантов и, возможно, Марса можно считать достоверно установленной. Петербургский физик Э.М. Дробышевский предложил гипотезу действия и другого механизма поступления вещества в окрестности планет-гигантов. Их крупные спутники богаты водяным льдом. Под действием космических лучей, солнечного ветра и ультрафиолетового излучения молекулы воды диссоциируют на водород и кислород. За миллионы лет ледяная кора насыщается гремучим газом, который пузырьками остается вкрапленным в лед. Падение метеорита или кометы вызывает химический взрыв, энергия которого выбрасывает в космос тонкую верхнюю оболочку спутника. В результате получается плотный тор, быстро эволюционирующий в кольцо. С течением времени кольцо деградирует — до следующего взрыва, возможно на другом спутнике. По Дробышевскому, последний взрыв в системе Сатурна произошел сравнительно недавно, тогда как в системах Юпитера, Урана и Нептуна — достаточно давно.

Заметим, что гипотеза химического взрыва пока не может считаться окончательной. Расчеты же по ударной модели содержат большие неопределенности: плохо известны распределения метеороидов по массам, расстояниям и скоростям. Поэтому необходимы дальнейшие наблюдения с земных обсерваторий и космических аппаратов, чтобы выяснить детали строения и эволюции пылевых околопланетных комплексов — специфических членов семьи Солнца.


Литература

Горькавый Н.Н., Фридман А.М. Физика планетных колец. М. Наука, 1994.

Рускол Е.Л. Происхождение Луны. М. Наука, 1975.

Кривов А.В., Соколов Л.Л., Холшевников К.В., Шор В.А. О существовании роя частиц в окрестности орбиты Фобоса // Астрономический вестник. 1991. Т. 25, №3. С. 317.


Глава XIV


МАЛЫЕ ТЕЛА СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ


Термин «малое тело Солнечной системы» (small Solar system body, SSSB) был принят Международным астрономическим союзом в 2006 г. для обозначения всех объектов Солнечной системы, не являющихся классическими планетами (Меркурий, Нептун) или планетами-карликами (dwarf planet). Таким образом, в число малых тел Солнечной системы попали все кометы; все традиционные астероиды (за исключением Цереры, отнесенной к планетам-карликам); все «кентавры» (centaur), движущиеся между орбитами планет-гигантов; все «троянцы», движущиеся по орбитам планет синхронно с ними, а также почти все объекты за орбитой Нептуна (trans-Neptunian object, TNO), кроме Плутона и Эриды, отнесенных в планетам-карликам. Спутники планет не входят в число малых тел Солнечной системы.

Не исключено, что со временем некоторые крупнейшие из малых тел Солнечной системы перейдут в разряд планет-карликов, если выяснится, что они имеют округлую форму, приобретенную под действием собственной гравитации (т.е. находятся в состоянии гидростатического равновесия). Очевидно, среди спутников планет некоторые входили когда-то в число малых тел Солнечной системы, а позже были захвачены на околопланетные орбиты; прежде всего это относится к иррегулярным внешним спутникам планет-гигантов. Что касается нижней границы масс малых тел Солнечной системы, то формально она не определена, и поэтому в их число можно включать даже мелкие объекты типа метеороидов размером 1—100 м. Поэтому в этой главе рассказано не только об астероидах и кометах, но также о метеорах и метеоритах.


Астероиды. Общие сведения

Астероиды — это твердые каменистые тела, которые, подобно планетам, движутся по околосолнечным эллиптическим орбитам. Но размеры этих тел намного меньше, чем у обычных планет, поэтому астероиды раньше называли малыми планетами. В последнее время термин «малые планеты» употреблять не рекомендуется, чтобы не возникало путаницы с официально принятым термином «планеты-карлики», прототипом которых стал Плутон и в число которых попал крупнейший астероид — Церера. После выделения планет-карликов в самостоятельную группу, среди астероидов действительно остались только твердые тела, внутренняя структура которых способна сопротивляться гравитационному сжатию. По этой причине астероиды менее подвержены внутренней эволюции, чем планеты (например, в их недрах не должна происходить гравитационная дифференциация вещества), но слабее сопротивляются внешним факторам, таким как ударная переработка поверхности и эволюция орбиты. В этом смысле класс астероидов стал более однородным. Однако далее при описании астероидов мы будем упоминать и Цереру — как в силу традиции, так и по причине ее пограничного положения, позволяющего считать это тело переходным между астероидами и планетами-карликами.

Диаметры астероидов заключены в пределах от нескольких десятков метров (условно) до примерно 1000 км. (размер Цереры). Первый астероид — все та же Церера — открыл 1 января 1801 г. сицилийский астроном Джузеппе Пиацци (1746—1826). Термин «астероид» (т.е. «звездоподобный») ввел Вильям Гершель (1738—1822), желая подчеркнуть тот факт, что при наблюдении в телескоп астероиды похожи на звезды. Даже с помощью лучших наземных телескопов невозможно различить форму крупнейших астероидов: их угловой диаметр не превышает 0,5". Как и большие планеты, астероиды в видимом диапазоне спектра светят отраженным солнечным светом.

Диаметры некоторых астероидов были измерены методом покрытия звезд в те удачные моменты, когда астероиды оказывались на одном луче зрения с достаточно яркими звездами. В большинстве же случаев их размеры оцениваются косвенно, по блеску, цвету и расстоянию.

Большинство известных астероидов движется между орбитами Марса и Юпитера на расстояниях от Солнца 2,2—3,2 а.е. Всего к середине 2007 г. открыто около 380 тыс. астероидов. Из них около 150 тыс. зарегистрированы, т.е. им присвоены номера, их орбиты рассчитаны с большой точностью, так что эти астероиды уже не могут «потеряться». Около 14 тыс. астероидов получили собственные имена. Если вспомнить, что в ноябре 2004 г. было известно около 265 тыс. астероидов, то легко видеть, что средний темп их открытия за последние годы составляет около 130 астероидов в сутки!

Имена астероидам обычно присваивают их первооткрыватели в соответствии с международными правилами. Вначале им давали мифологические имена, продолжая традицию наименования больших планет. Когда древние имена иссякли, астероидам стали давать имена выдающихся людей. Но в последнее время, благодаря автоматизации астрономических наблюдений, частота открытия новых астероидов значительно превысила возможности Международного астрономического союза по рассмотрению заявок на присвоение имен. Возможно, скоро эта традиция окончательно прервется.


Кольцевую область между орбитами Марса и Юпитера, населенную астероидами, традиционно называют Главным поясом астероидов (в последнее время некоторые авторы предлагают называть эту область Поясом Фаэтона). Длительность орбитального периода в этой зоне от 3 до 9 земных лет в зависимости от удаленности от Солнца. Средняя орбитальная скорость в ней около 20 км/с. Наклоны орбит астероидов к плоскости эклиптики (ι) достигают 70°, но обычно не превышают 10°. На этом основании астероиды Главного пояса делят примерно поровну на плоскую (ι<8°) и сферическую подсистемы.

Систематически измеряя блеск астероидов, астрономы давно обнаружили, что практически у всех он изменяется за короткое время: от часов до недель. С самого начала было очевидно, что эти изменения связаны с неправильной формой и вращением астероидов. Это подтвердили первые же снимки с близкого расстояния, полученные космическими зондами: они показали, что поверхность астероидов изрыта кратерами и воронками разного размера. Судя по всему, форма и структура поверхности малых тел обязана их многочисленным столкновениям друг с другом. Поскольку точная форма наблюдаемых с Земли астероидов неизвестна, ее обычно представляют в виде трехосного эллипсоида с параметрами, позволяющими объяснить вариации блеска.


Ρ — период обращения.

α — большая полуось орбиты.

e — эксцентрисетет.


Веста — обнаружены признаки базальтовой коры, покрывающей оливиновую мантию, что может указывать на плавление и дифференциацию вещества. Изображение впервые получено в 1995 г. телескопом «Хаббл».


Рис. Веста.


Флора — крупнейший член семейства из нескольких десятков астероидов. В 1915—18 гг. японский астроном Кийогуцу Хираяма (1874—1943) впервые выделил 5 семейств астероидов: Флоры, Фемиды, Эоса, Корониды и Марии. Члены каждого семейства имеют сходные орбитальные элементы, что, вероятно, указывает на их генетическое родство. Возможно, это осколки одного родительского тела, разрушенного столкновением.

Ида — изображения получены зондом «Галилео» 28 августа 1993 г. На них обнаружен спутник размером 1,5 км., названный Дактилем и обращающийся вокруг Иды на расстоянии около 100 км.


Рис. Астероид Ида со спутником Дактиль.


Эрос — сближающийся с Землей астероид. В феврале 1999 г. зонд NEAR получил его изображения. 14 февраля 2000 г. зонд стал спутником Эроса — первым в истории искусственным спутником астероида, — а 12 февраля 2001 г. сел на его поверхность.


Рис. Эрос.


Гаспра — изображения получены зондом «Галилео» 29 октября 1991 г. во время первого в истории сближения с астероидом.

Икарус — сближается с Землей и пересекает ее орбиту.

Географ — сближающийся с Землей астероид. Либо двойной, либо имеет очень неправильную форму (сильная переменность блеска и вытянутое радиолокационное изображение).

Аполлон — крупнейший астероид одноименного семейства, члены которого сближаются с Землей и пересекают ее орбиту.

Хирон — астероид-комета, демонстрирующий периодическую активность: яркость резко возрастает вблизи перигелия, вероятно, из-за испарения летучих соединений с поверхности. Движется между орбитами Сатурна и Урана. Прототип семейства кентавров.

Тоутатис — двойной астероид, компоненты которого, вероятно, находятся в контакте и имеют размеры около 2,5 и 1,5 км. Изображения получены радиолокаторами в Аресибо и Голдстоуне. Сближение Тоутатиса с Землей произошло 29 сентября 2004 г. на расстояние 1,5 млн. км.


Рис. Тоутатис.


Касталия — двойной астероид с одинаковыми компонентами (по 0,75 км. в диаметре), находящимися в контакте. Изображение получено радиолокатором в Аресибо.


Как мог возникнуть Главный пояс астероидов?

Большой вклад в формирование современной теории происхождения Солнечной системы внесли советские ученые О.Ю.Шмидт (1891—1956), B.C.Сафронов (1917—1999) и их ученики. Идеи отечественной школы космогонистов помогают реконструировать историю астероидов главного пояса.

Около 4,5 млрд. лет назад на расстоянии 5 а.е. от Солнца одна из крупных планетезималей в ходе «естественного отбора» превзошла размером остальные и стала «зародышем» будущего Юпитера. Находясь на границе конденсации летучих соединений (Н2, Н2О, NH3, CO2, CH4 и др.), которые изгонялись из центральной, более теплой зоны протопланетного диска, это тело служило центром аккумуляции замерзающих газовых конденсатов. При достижении еще большей массы, оно стало захватывать вещество, находящееся ближе к Солнцу, в зоне родительских тел астероидов, и таким образом тормозить их рост.

Мелкие тела, попавшие в сферу гравитационного влияния прото-Юпитера, но не захваченные им, эффективно разбрасывались в разные стороны. Аналогично, хотя и не так интенсивно, происходил выброс тел из зоны формирования Сатурна. Двигаясь по вытянутым орбитам, выброшенные тела пронизывали пояс родительских тел астероидов между орбитами Марса и Юпитера, подвергая их дроблению. До возникновения планет-гигантов в этой области происходил рост родительских тел астероидов, поскольку их взаимные скорости были невелики (менее 0,5 км/с), и столкновение двух тел заканчивалось их объединением, а не дроблением.

Попадание в пояс астероидов быстрых объектов, выброшенных Юпитером и Сатурном, привело к тому, что относительные скорости возросли до 3—5 км/с. Процесс аккумуляции родительских тел астероидов сменился их взаимным разрушением, а возможность формирования большой планеты в этой области Солнечной системы исчезла навсегда.


Орбиты астероидов

Астероиды Главного пояса движутся по устойчивым орбитам, близким к круговым или слабо эксцентричным. Они находятся в «безопасной» зоне, где минимально гравитационное влияние на них больших планет, в первую очередь, — Юпитера. Считается, что именно Юпитер «виноват» в том, что на месте Главного пояса астероидов в период молодости Солнечной системы не смогла сформироваться крупная планета.

Впрочем, еще в начале XX в. многие ученые полагали, что между Юпитером и Марсом раньше существовала большая планета, которая по каким-то причинам разрушилась. Первым высказал эту гипотезу Ольберс, сразу после открытия им Паллады. Он же предложил назвать гипотетическую планету Фаэтоном. Однако современная космогония отказалась от идеи разрушения большой планеты: пояс астероидов, вероятно, всегда содержал множество небольших тел, объединиться которым мешало влияние Юпитера.

Этот гигант по-прежнему продолжает играть первостепенную роль в эволюции орбит астероидов. Его длительное (более 4 млрд. лет) гравитационное влияние на астероиды Главного пояса привело к тому, что возник ряд «запретных» орбит и даже зон, в которых малых тел практически нет, а если они туда и попадают, то не могут долго там находиться. Эти зоны называют пробелами (или люками) Кирквуда по имени Дэниела Кирквуда (1814—1895), впервые обнаружившего их в распределении периодов обращения всего нескольких дюжин астероидов.

Орбиты в люках Кирквуда называют резонансными, поскольку движущиеся по ним астероиды испытывают регулярное гравитационное возмущение со стороны Юпитера в одних и тех же точках своей орбиты. Периоды обращения по этим орбитам находятся в простых отношениях с периодом обращения Юпитера (например, 1:2, 3:7, 2:5, 1:3). Если какой-либо астероид, например, в результате столкновения с другим телом, попадает на резонансную орбиту, то ее эксцентриситет и большая полуось быстро меняются под влиянием гравитационного поля Юпитера. Астероид покидает резонансную орбиту и может даже уйти из Главного пояса. Таков постоянно действующий механизм «очистки» пробелов Кирквуда.

Однако заметим, что если изобразить мгновенное распределение всех астероидов Главного пояса, то никаких «щелей» мы не увидим. В любой момент времени астероиды достаточно равномерно заполняют пояс, поскольку, двигаясь по эллиптическим орбитам, они часто пересекают «запретные зоны».

Существует еще один, противоположный, пример гравитационного влияния Юпитера: у внешней границы Главного пояса астероидов есть две узкие «зоны», содержащие избыточное число астероидов. Периоды обращения в них находятся в пропорциях 2:3 и 1:1 с периодом обращения Юпитера. Ясно, что резонанс 1:1 означает, что астероиды движутся практически по орбите Юпитера. Но они не сближаются с гигантской планетой, а держат дистанцию, в среднем равную радиусу орбиты Юпитера. Эти астероиды получили имена героев Троянской войны. Те из них, которые в своем движении по орбите опережают Юпитер, называют «греками», а отстающую группу — «троянцами» (обе группы вместе часто называют «троянцами»). Движение этих малых тел происходит в окрестности «треугольных точек Лагранжа», где при круговом движении уравниваются гравитационные и центробежные силы. Важно, что при небольшом отклонении от положения равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть объект на место, т.е. его движение происходит устойчиво.


В отличие от троянцев, которые могли постепенно накопиться в окрестностях точек Лагранжа в ходе длительной столкновительной эволюции астероидов, существуют иные семейства астероидов, скорее всего возникшие в результате относительно недавнего распада крупных родительских тел. Например, это семейство Флоры, включающее около 60 членов. Сейчас астрономы пытаются определить общее число таких семейств, чтобы оценить исходное количество родительских тел.


Астероиды, сближающиеся с Землей

У внутреннего края главного пояса астероидов выделяются группы тел, орбиты которых вытянуты в центральную область Солнечной системы и могут пересекаться с орбитами Марса, Земли, Венеры и даже Меркурия. В первую очередь, это группы Амура, Аполлона и Атона (по именам их крупнейших членов). Орбиты этих астероидов уже не так стабильны, как у членов главного пояса: они быстро эволюционируют под влиянием не только Юпитера, но и планет земной группы. По этой причине астероиды могут переходить из одной группы в другую, а само их деление на вышеназванные группы довольно условно и основано на данных об их современных орбитах. Так, амурцы движутся по эллиптическим орбитам с расстоянием в перигелии не более 1,3 а.е. (но и не менее 1 а.е.). У аполлонцев это расстояние менее 1 а.е., т.е. они проникают внутрь земной орбиты. В то время, как у амурцев и аполлонцев большая полуось орбиты заметно превосходит 1 а.е., у атонцев она менее или порядка этой величины, поэтому они движутся в основном внутри земной орбиты.


Ясно, что аполлонцы и атонцы, пересекая орбиту Земли, создают угрозу столкновения. Существует даже общее название группы малых тел с большими полуосями орбит менее 1,3 а.е. — «объекты, сближающиеся с Землей» (near-Earth object, NEO). К 1 сентября 2006 г. таких объектов было обнаружено 4187. Из них 57 комет и 4130 астероидов (near-Earth asteroid, NEA). Около 1000 из них имеют размер более 1 км. и поэтому представляют потенциальную угрозу для всей биосферы Земли. Хотя в последние годы поиск подобных тел проводится очень активно, ясно, что их общее количество может быть заметно больше: до 1500—2000 размером более 1 км. и до 140000 размером более 100 м. (такие объекты грозят нам локальными катастрофами).


Рис. Итокава.


Один из астероидов, сближающихся с Землей, — 25143 Itokawa — уже изучен весьма подробно: рядом с этим 500-метровым телом в 2005 г. несколько месяцев работал японский зонд «Хаябуса». Дважды (20 и 25 ноября) он садился на поверхность астероида и пытался взять образцы грунта, но уверенности в том, что это удалось, нет. Тем не менее, экспедиция оказалась удачной: детально изучена поверхность астероида, измерена средняя плотность его вещества (2 г/см3), альбедо (0,53), период вращения (12 час.), скорость отрыва с поверхности (около 20 см/с). «Хаябуса» должен вернуться на Землю в 2010 г., возможно, с образцами грунта.


О других астероидных поясах

За орбитой Юпитера также существуют астероидоподобные тела. Более того, оказалось, что таких тел очень много на периферии Солнечной системы. (См. об этом также в главах «Солнечная система» и «Плутон».) В 1990-е гг. за орбитой Нептуна обнаружили более 300 астероидоподобных объектов диаметрами от 100 до 800 км. Населенную ими область назвали «поясом Койпера». К 2007 г. их число перевалило за 1000, а диаметр крупнейшего из них (Эрида) оказался 2400 км. По оценкам, количество тел в поясе Койпера может быть не меньше, чем в Главном поясе астероидов. Предположения об этом в разное время высказывались различными астрономами, но свое название новый резервуар малых тел получил в честь известного американского астронома Джерарда Койпера, который в 1951 г. сформулировал гипотезу о том, что за орбитой Нептуна, на расстояниях 30—50 а.е. от Солнца может быть скопище тел, служащих источником короткопериодических комет. Как выяснилось позже, в 1949 г. такое же предположение сделал англичанин Кеннет Эджворт (Edgeworth К.Е., 1880—1972), поэтому в Европе многие предпочитают называть эту область Солнечной системы поясом Эджворта-Койпера.

По параметрам орбит транснептуновые объекты разделили на два класса. Класс «плутино» объединил те из них, которые (как и Плутон) движутся в резонансе 3:2 с Нептуном по довольно эллиптичным орбитам: большие полуоси около 39 а.е.; эксцетриситеты 0,11—0,35; наклоны орбит к эклиптике от 0 до 20°. В конце 1990-х была даже дискуссия, считать ли Плутон полноправной планетой или только одним из плутино. Тогда решили считать его планетой, поскольку он был крупнее любого из новооткрытых тел и к тому же имеет атмосферу и большой спутник — Харон. Но к 2006 г. в поясе Койпера обнаружились объекты крупнее Плутона, поэтому вместе с Плутоном их выделили в особый тип планет-карликов. Однако по характеру движения Плутон по-прежнему входит в класс плутино.

Во второй, более многочисленный класс вошли «типичные объекты пояса Койпера», движущиеся по орбитам, близким к круговым, с большими полуосями от 40 до 48 а.е. и наклонами от 0 до 40°. О внутреннем составе всех этих объектов пока трудно что-либо сказать. Не ясно даже, какого они типа — астероидного или кометного. Ясно одно: их состав должен быть весьма примитивным, поскольку на далекой периферии Солнечной системы он не испытал больших изменений с момента конденсации из протопланетной туманности.

Обнаружены также объекты между поясом Койпера и главным поясом астероидов — это «кентавры», первым из которых был открыт в 1977 г. Хирон, имеющий диаметр около 200 км. В афелии (18,8 а.е.) он касается орбиты Урана, а по пути к перигелию (8,43 а.е.) пересекает орбиту Сатурна. Поэтому его движение очень неустойчиво, и он в скором времени либо столкнется с одной из планет, либо будет выброшен из планетной системы. Хирон зарегистрировали как астероид, но в 1989 г. у него обнаружилась пылевая кома, в 1991 г. — газовая оболочка, а к 1996 г., проходя перигелий, он уже был типичной кометой, наглядно демонстрируя отсутствие резкой границы между астероидами и кометами как по составу вещества, так и, возможно, по происхождению. Двойственная природа кентавров очень точно отразилась в названии этого семейства малых тел. Первым из них присвоили имена легендарных кентавров, но исторических имен на всех не хватило.

Предлагается область, населенную кентаврами, назвать «поясом Казимирчак-Полонской» в честь Елены Ивановны Казимирчак-Полонской (1902—1992), теоретически доказавшей возможность существования астероидных тел между орбитами планет-гигантов.


О методах исследования астероидов

Наши представления об астероидах пока ограничены весьма общими знаниями о веществе, покрывающем их поверхность. Они основаны на нескольких источниках информации: наземных телескопических наблюдениях в оптическом диапазоне, радиолокационных измерениях, детальных изображениях поверхности нескольких тел, переданных космическими зондами, а также на результатах анализа земных пород и найденных на Земле метеоритов, которые (см. разд. «Метеориты») считаются осколками астероидов, ядер комет и поверхностей планет земной группы.

Массовое изучение поверхности малых тел основано на характеристиках отраженного ими солнечного света. В соответствии с формой спектра отраженного света астероиды делят на несколько спектральных типов или классов. Это позволяет разделить огромное количество малых тел на несколько групп с приблизительно одинаковым типом поверхности и даже оценить химико-минералогический состав их вещества. Иногда принимают во внимание и дополнительные данные, например, о радиолокационной отражательной способности астероида и о скорости его вращения вокруг оси. Естественное желание ученых поделить астероиды на несколько простых классов при детальном исследовании оказалось невыполнимым. В последнее время возникла необходимость введения подклассов и более мелкого деления спектральных типов для характеристики особенностей отдельных групп астероидов.

Поясним, как можно с помощью дистанционных измерений оценить состав вещества. Астероиды делят на группы по схожести цвета (его измеряют на небольших телескопах, фотографируя астероиды через светофильтры) или даже по форме спектра (для тусклых астероидов спектральные данные получить сложно — нужны большие телескопы). Затем в каждой группе выводят средние показатели цвета или характеристики спектра и сравнивают их с аналогичными величинами для земных горных пород и минералов, а также для метеоритов из научных коллекций. Подбирая «образцы-аналоги» с похожими цветовыми и спектральными характеристиками, считают, что в первом приближении их химический и минеральный состав соответствует веществу астероидов данного типа.

Как оказалось, в отличие от земных горных пород вещество астероидов в целом выглядит значительно более простым и даже примитивным. Это говорит о том, что физические и химические процессы в нем были не такими разнообразными и сложными, как в недрах планет земной группы. Тогда как на Земле сейчас надежно выделено около 4000 минеральных видов, на астероидах их может быть всего несколько сотен. Об этом можно судить хотя бы по количеству минеральных видов (около 300), найденных в метеоритах — обломках астероидов.

Большое разнообразие минералов на Земле возникло не только потому, что наша планета, по сравнению с астероидами, формировалась значительно ближе к Солнцу, а значит, и при более высокой температуре, стимулирующей химические реакции. Существенную роль сыграла и большая масса нашей планеты. Разогретое в ее недрах и ставшее пластичным силикатное вещество, металлы и их соединения разделились (дифференцировались) по удельному весу в гравитационном поле Земли. Эти процессы оказались благоприятными для возникновения постоянной газовой или жидкой окислительной среды, основными компонентами которой были кислород и вода. Их длительное взаимодействие с первичными минералами и породами земной коры дало то богатство минералов, которое мы наблюдаем.

Астероиды, по дистанционным данным, в основном состоят из простых силикатных соединений. В первую очередь это безводные силикаты, такие как пироксены (обобщенная формула ABZ2O6, где позиции «А» и «В» занимают катионы разных металлов, a «Z» — это Аl или Si), оливины (A22+SiO4 где A=Fe, Mg, Mn, Ni) и иногда плагиоклазы (общая формула (Na,Ca)Al(Al,Si)Si2O8; в скобках указаны пары элементов, один из которых может входить в реальную формулу минерала). Их называют породообразующими минералами, поскольку они составляют основу большинства горных пород.

Широко представлены на астероидах и силикатные соединения другого типа — гидросиликаты, или слоистые силикаты. К ним принадлежат серпентины (общая формула A3Si2O5(0H), где A=Mg, Fe2+, Ni), хлориты (A4—6Z4O10(OH, O)8, где А и Z — это в основном катионы разных металлов) и ряд других минералов, содержащих гидроксил (ОН). Предполагают, что на астероидах встречаются не только простые окислы, соединения (например, сернистые) и сплавы железа и других металлов (в частности, FeNi), органические (т.е. углеродные) соединения, но даже металлы и углерод в свободном состоянии. Об этом свидетельствует исследование метеоритов.


Спектральные типы астероидов

Выделено более дюжины основных спектральных типов (классов) астероидов, обозначенных латинскими буквами: А, В, С, F, G, D, Р, Е, М, Q, R, S, V и Т. Дадим их краткую характеристику.

Астероиды типа А имеют довольно высокое альбедо и самый красный цвет, вызванный значительным ростом с длиной волны их отражательной способности. Судя по цвету и спектру, они могут состоять из высокотемпературных оливинов (температура плавления от 1100 до 1900°С) или из смеси оливина с металлами.

Напротив, у астероидов типов В, С, F, и G низкое альбедо (тип В светлее других) и почти плоский, «бесцветный» спектр в видимом диапазоне, резко спадающий на коротких волнах. Поэтому считают, что эти астероиды в основном состоят из низкотемпературных гидратированных силикатов (температура разложения или плавления от 500 до 1500°С) с примесью углерода или органических соединений, имеющих похожие спектральные характеристики.

Астероиды с низким альбедо и красноватым цветом отнесены к типам D и Р (более красные — D). Такие свойства имеют силикаты, богатые углеродом или органическими веществами. Из них состоят, например, частички межзвездной пыли, которая заполняла и околосолнечный протопланетный диск еще до образования планет. На основе этого сходства предполагают, что D- и Р-астероиды — наиболее древние, малоизмененные члены главного пояса астероидов.

Астероиды типа Е имеют самое высокое альбедо (их поверхность отражает до 50% падающего света) и слегка красноватый цвет. Такие же спектральные характеристики имеет минерал энстатит (высокотемпературная разновидность пироксена) или другие силикаты, содержащие железо в свободном (неокисленном) состоянии, которые, следовательно, могут входить в состав астероидов Е-типа.

Астероиды, похожие по форме спектра на Р- и Е-тип, но по значению альбедо лежащие между ними, относят к М-типу. Оказалось, что по оптическим свойствам они очень похожи на металлы в свободном состоянии или металлические соединения, находящиеся в смеси с энстатитом или другими пироксенами. Таких астероидов сейчас известно около 30. Недавние наземные наблюдения открыли интересный факт: у многих из этих астероидов на поверхности присутствуют гидратированные силикаты. Хотя причина возникновения такой необычной комбинации высокотемпературных и низкотемпературных материалов еще окончательно не установлена, можно предположить, что гидросиликаты попали на астероиды М-типа при их столкновениях с более примитивными телами (например, недифференцированными астероидами, ядрами комет и т.п.

По значению альбедо и общей форме спектров отражения в видимом диапазоне астероиды Q-, R-, S- и V-типов достаточно схожи: у них довольно высокое альбедо и красноватый цвет. Различия же между ними сводятся к тому, что присутствующая в ближнем инфракрасном диапазоне спектра широкая полоса поглощения вблизи 1 мкм. имеет разную глубину. Эта полоса характерна для смеси пироксенов и оливинов; положение ее центра и глубина зависят от долевого и общего содержания этих минералов в поверхностном слое астероида. С другой стороны, глубина любой полосы поглощения в спектре отражения силикатного вещества уменьшается при наличии в нем каких-либо непрозрачных частичек (например, углерода, металлов или их соединений), которые экранируют диффузно-отраженный (т.е. пропускаемый через вещество и несущий информацию о его составе) свет. У данных астероидов глубина полосы поглощения вблизи 1 мкм. увеличивается от S- к Q-, R- и V-типам. Поэтому астероиды перечисленных типов (кроме V) могут состоять из смеси оливинов, пироксенов и металлов. Вещество же астероидов V-типа может включать наряду с пироксенами также и полевые шпаты, а по составу быть похожим на земные базальты.

И наконец, к типу Т относят астероиды, имеющие низкое альбедо и красноватый спектр отражения, похожий на спектры Р- и D-типов, но по наклону занимающий промежуточное положение. Поэтому минералогический состав астероидов Т-, Р- и D-типов считают примерно одинаковым и соответствующим силикатам, богатым углеродом или органическими соединениями.

При изучении распределения астероидов в пространстве обнаружилась явная связь их предполагаемого химикоминерального состава с расстоянием до Солнца. Оказалось, что чем более простой минеральный состав имеют астероиды (т.е. чем больше в них летучих соединений), тем дальше, как правило, они находятся от Солнца. В целом более 75% всех астероидов принадлежат С-типу и располагаются преимущественно в периферийной части главного пояса. Примерно 17% принадлежат S-типу и преобладают во внутренней части пояса. Большая часть из оставшихся астероидов относится к М-типу и также в основном движется в средней части астероидного кольца. Максимумы распределений астероидов этих трех типов находятся в пределах главного пояса. Максимум общего распределения астероидов Е- и R-типов несколько выходит за пределы внутренней границы пояса в сторону Солнца. Интересно, что максимум суммарного распределения астероидов Р- и D-типов лежит на далекой периферии главного пояса и выходит не только за пределы астероидного кольца, но и за пределы орбиты Юпитера. Не исключено, что распределение Р- и D-астероидов главного пояса перекрывается с астероидными поясами Казимирчак-Полонской, находящимися между орбитами планет-гигантов.

В заключение кратко изложим смысл общей гипотезы о происхождении астероидов различных классов, которая находит все больше подтверждений.


О происхождении малых тел

На заре формирования Солнечной системы, около 4,5 млрд. лет назад, из окружающего Солнце газо-пылевого диска вследствие турбулентных и других нестационарных явлений возникли сгустки вещества, которые при взаимных неупругих столкновениях и гравитационных взаимодействиях объединялись в планетезимали. С увеличением расстояния от Солнца уменьшалась средняя температура газо-пылевого вещества и, соответственно, менялся его общий химический состав. Кольцевая зона протопланетного диска, из которого впоследствии сформировался главный пояс астероидов, оказалась вблизи границы конденсации летучих соединений, в частности, водяного пара. Во-первых, это обстоятельство привело к опережающему росту зародыша Юпитера, находившегося рядом с указанной границей и ставшего центром аккумуляции водорода, азота, углерода и их соединений, покидавших более разогретую центральную часть Солнечной системы. Во-вторых, газо-пылевое вещество, из которого образовались астероиды, оказалось весьма неоднородным по составу в зависимости от расстояния до Солнца: относительное содержание в нем простейших силикатных соединений резко убывало, а содержание летучих соединений нарастало с удалением от Солнца в области от 2,0 до 3,5 а.е.

Усиливающиеся гравитационные возмущения со стороны быстро растущего Юпитера препятствовали образованию в поясе астероидов крупного протопланетного тела. К моменту, когда процесс аккумуляции вещества там прекратился, успели сформироваться лишь несколько десятков планетезималей умеренного размера (около 500—1000 км), которые затем начали дробиться при столкновениях вследствие быстрого роста относительных скоростей (от 0,1 до 5 км/с). Однако в этот период некоторые родительские тела астероидов или, по крайней мере, те из них, которые содержали высокую долю силикатных соединений и находились ближе к Солнцу, уже были разогреты или даже испытали гравитационную дифференциацию.

Ранее рассматривались два возможных механизма разогрева протоастероидов: распад радиоактивных изотопов, либо действие индукционных токов, наведенных мощным (в ту эпоху) солнечным ветром. Однако сейчас второй из этих механизмов считается менее вероятным или имевшим ограниченное действие. При исследованиях метеоритного вещества было установлено, что пылевой (силикатный) компонент вещества в протопланетном облаке был обогащен рядом короткоживущих радиоактивных изотопов, главным образом 26Аl (с временем полураспада около миллиона лет). Такие изотопы могли образоваться при вспышке новой (или сверхновой) звезды, предшествующей формированию Солнечной системы. Был получен еще один важный результат: в дифференцированных метеоритах достаточно обилен изотоп 26Mg — продукт распада 26Аl. Кроме того, эффективность действия 26Аl как источника разогрева протоастероидов оказалась высокой благодаря совпадению времени его распада с периодом аккумуляции этих тел.

Что касается объектов в поясе Койпера, то эти ледяные тела могут содержать до 30% силикатного вещества, изначально также включавшего 26Аl. Поэтому в течение нескольких первых миллионов лет их существования имелась возможность разогрева их недр изотопом 26Аl. Расчеты показывают, что сочетание радиоизотопного разогрева вещества с тепловыми эффектами от ударных процессов могло привести на койперовских телах диаметром более 100 км. к образованию и длительному существованию (до 10 млн. лет) внутреннего водного океана. В результате там могла произойти дифференциация вещества, то есть образование силикатно-органических ядер и водной мантии. Так это или нет, покажут будущие исследования койперовских тел с помощью космических аппаратов.

Протоастероидами, сохранившимися по каким-то причинам до наших дней, возможно, являются Церера и Веста. Если такое тело нагревалось достаточно для плавления силикатного вещества, то в процессе гравитационной дифференциации в нем выделялись металлическое ядро и более легкая силикатная оболочка, а в некоторых случаях (например, у Весты) даже базальтовая кора, как у планет земной группы. Поскольку вещество в зоне астероидов содержало значительное количество летучих соединений, его средняя температура плавления была относительно низкой. Расчеты показали, что температура плавления такого силикатного вещества лежит в диапазоне 500—1000°С.

После дифференциации и остывания протоастероиды испытали многочисленные столкновения не только между собой и своими обломками, но и с телами, вторгавшимися в пояс астероидов из зон Юпитера, Сатурна и более дальней периферии Солнечной системы. В результате длительной ударной эволюции протоастероиды были раздроблены на огромное количество осколков, наблюдающихся сейчас как астероиды. При относительных скоростях в несколько километров в секунду столкновения тел, состоявших из нескольких силикатных оболочек с различной механической прочностью (чем больше в твердом веществе металлов, тем оно прочнее), приводили к «сдиранию» и дроблению на мелкие фрагменты в первую очередь наименее прочных внешних силикатных оболочек.

Считается, что астероиды тех спектральных типов, которые соответствуют высокотемпературным силикатам, происходят из разных силикатных оболочек их родительских тел, прошедших плавление и дифференциацию. В частности, крупные астероиды М- и S-типов могут быть уцелевшими ядрами протоастероидов (например, S-астероид Эвномия и М-астероид Психея диаметрами около 270 км.) или их осколками, поскольку в их веществе, возможно, самое высокое содержание металлов. Астероиды А- и R-типов могут быть осколками промежуточных силикатных оболочек, а Е- и V-типов — внешних оболочек таких родительских тел. Таким образом, астероиды Е-, V-, R-, А-, М- и S-типов, подверглись наиболее интенсивной тепловой и ударной переработке.

Что же касается астероидов других типов, то их считают либо частично измененными (метаморфическими) вследствие столкновений или локального нагрева, не приводившего к общему плавлению (Т, В, G и F), либо примитивными и мало измененными (D, Р, С и Q). Доля астероидов указанных типов растет к периферии главного пояса. Несомненно, что все они испытали столкновения и дробление, но этот процесс, вероятно, не был настолько интенсивным, чтобы заметно повлиять на их химико-минеральный состав и отразиться на наблюдаемых характеристиках (см. разд. «Метеориты»).

Как показывает численное моделирование столкновений силикатных тел астероидного размера, многие из существующих сейчас астероидов после взаимных столкновений могли реаккумулироваться (т.е. вновь объединиться из фрагментов) и поэтому представляют собой не монолитные тела, а «груды булыжников». Высказывались обоснованные утверждения, что именно такое строение имеет астероид Итокава, похожий на конгломерат обломков, засыпанных слоем реголита.

Имеются наблюдательные признаки (по специфическим изменениям блеска) наличия у ряда астероидов гравитационно связанных с ними маленьких спутников, которые, вероятно, возникли как отколовшиеся при столкновении фрагменты. Раньше эта идея вызывала жаркие дискуссии среди астрономов, но была убедительно подтверждена на примере астероида Ида: космический зонд «Галилео» получил изображение спутника этого астероида.


О том, чего мы пока не знаем

В мире астероидов еще много неясного и даже загадочного. Во-первых, это общие проблемы происхождения и эволюции твердого вещества в Главном и других астероидных поясах, связанные с проблемой происхождения всей Солнечной системы.

Вероятно, к решению этих проблем мы подойдем не раньше, чем изучим несколько планетных систем других, похожих на Солнце звезд. Пока в них обнаружены лишь планеты-гиганты, но возможности астрономических приборов уже приближаются к тому, чтобы обнаружить у этих звезд и меньшие планеты земного типа. Затем настанет очередь астероидов и комет.

Есть также вопросы, на которые можно ответить лишь путем подробного изучения отдельных малых тел. По существу, каждое из этих тел уникально и имеет свою собственную, иногда весьма драматическую историю. Например, члены динамических семейств астероидов (Фемиды, Флоры, Гильды, Эос и др.), очевидно имеющие общее происхождение, могут заметно различаться по оптическим характеристикам, что указывает на какие-то их особенности.

Ясно, что для детального исследования тысяч астероидов потребуется много времени и сил. Но только путем сбора подробной и точной информации о каждом из них можно понять природу этих тел и основные закономерности их эволюции.


Кометы

Кометы — самые необычные по внешнему виду небесные объекты, доступные для наблюдения невооруженным глазом. Они привлекают внимание человека с глубокой древности. Вместе с астероидами и метеорными телами кометы относят к малым телам Солнечной системы. Особенностью комет является то, что при сближении с Солнцем у них появляется хвост, почти всегда направленный в сторону от Солнца.


История кометной астрономии

Предыстория изучения комет. Тысячи лет назад люди поняли, что небесные светила практически не меняют своего взаимного расположения (звезды), а если и перемещаются, то по строго установленным путям и с вполне определенной скоростью («блуждающие звезды», или планеты, включая Луну и Солнце). Поэтому неожиданное появление на ночном небе «хвостатых светил» вызывало у людей чувство страха и считалось предвестником плохих событий.

«Комета» в переводе с греческого означает «волосатая звезда». В Древней Греции, а затем и в Средние века комету часто изображали в виде отрубленной головы с развевающимися волосами. Поскольку история человечества всегда была насыщена трагическими событиями — войнами, эпидемиями, дворцовыми переворотами, убийствами вельмож, — то каждому появлению яркой кометы непременно сопутствовало какое-либо из этих событий. Придворным астрологам оставалось лишь глубокомысленно «увязать» дела земные и небесные.

Римские историки сообщили, что смерть Юлия Цезаря в 44 г. до н.э. совпала с появлением на небе яркой кометы. Поэтому в Средние века и даже позднее при королевских дворах Европы было распространено мнение, что комета предвещает смерть королю или его наследнику (весьма удобный способ «списать» дворцовую интригу на явление природы).

Вот пример эмоционального описания кометы 1528 г., оставленного известным французским хирургом Амбруазом Паре: «Эта комета была столь ужасна и страшна и порождала в народе столь великое смятение, что некоторые умирали от одного лишь страха, а другие заболевали. Она представляла собой светило громадной длины и кровавого цвета; в вершине ее была видна сжатая рука, держащая длинный меч, как бы готовый разить. У конца его клинка были видны три звезды. По обе стороны лучей, выходящих из хвоста этой кометы, виднелось множество топоров, ножей, мечей, обагренных кровью, а среди них были видны ужасные человеческие лица с всклокоченными бородами и дыбом стоящими волосами».

Первое, зафиксированное в истории появление кометы относится к 2296 г. до н.э. Тогда ее наблюдали китайские астрономы, старательно следившие за перемещением кометы по созвездиям. В представлении древних китайцев небо было огромной империей, управляемой Солнцем и состоящей из многочисленных областей и провинций, в которых яркие планеты были правителями. Для доставки императорских указов в отдаленные провинции нужны были курьеры. Их роль как раз и отводилась «хвостатым светилам», поскольку они быстро перемещались через многие созвездия и могли передавать императорскую волю. Подтверждением этого китайские астрономы считали перемещение «по воле императора» планет-правителей из одного созвездия в другое после прохождения кометы. Любопытно, что столь положительную роль кометам приписывали только в Китае.

Против обывательских взглядов, разумеется, устояли некоторые древнегреческие и римские мыслители, рассматривавшие кометы как природное явление, не связанное с судьбой человека. Аристотель (IV в. до н.э.) считал кометы атмосферным феноменом, принадлежащим изменчивому «подлунному миру», своеобразным родом земных испарений, нагревающихся или даже воспламеняющихся от близости к небесной «сфере огня». Правда, он не особенно настаивал на своей гипотезе; он писал: «Поскольку мы о кометах не имеем мнения, опирающегося на ощущения, то я должен быть доволен таким объяснением, которое не содержит противоречий с известными истинами».

Ближе всех к современной научной истине, пожалуй, подошел римский философ Сенека (I в. н.э.), который в заочном споре с Аристотелем писал: «Я не могу согласиться, что комета — это только зажженный огонь; это, скорее, одно из вечных творений природы… Комета имеет собственное место между небесными телами…, она описывает свой путь и не гаснет, а только удаляется. Не будем удивляться, что законы движения комет еще не разгаданы; придет время, когда упорный труд откроет нам скрытую сейчас правду…». Это время пришло лишь через полтора тысячелетия.

Рождение научной кометографии. Тихо Браге, наблюдавший яркую комету 1577 г., сопоставил свои данные с наблюдениями других европейских астрономов и пришел к выводу, что у кометы не было заметного параллакса, а значит она находилась далеко за пределом земной атмосферы и даже за пределом орбиты Луны, т.е. была самостоятельным небесным телом.

Теоретический труд Николая Коперника и практические открытия, сделанные с телескопом Галилея, окончательно подорвали доверие к геоцентрической системе мира Аристотеля и Птолемея, служившей основой научного мировоззрения почти два тысячелетия. Наверное этому факту более других удивился бы сам Аристотель. В отличие от своих многочисленных последователей он не был догматиком; он писал: «Я говорю о небесных телах, но я вижу их только издали; я не могу их наблюдать там, где они есть, и большая часть того, что происходит на небе, избегает наших глаз… Если кто-нибудь может дать другое объяснение этим феноменам, опирающееся на лучшее и более естественное основание, он приобретет законное право на нашу благодарность».

Заочную благодарность Аристотеля заслужили те, кто подготовил почву для поиска общих законов движения небесных тел — астрономы эпохи Тихо и Галилея. Сами же эти законы были установлены в 1609-18 гг. талантливым математиком Иоганном Кеплером, который использовал точнейшие данные о движениях планет, полученные Тихо Браге. Кеплер установил три закона движения планет по эллиптическим траекториям вокруг Солнца, но причина такого движения была неясна. И только закон всемирного тяготения и законы механики, окончательно сформулированные Иссаком Ньютоном в 1687 г., дали этому научное объяснение.

Расчеты, произведенные Ньютоном по просьбе английского астронома Эдмонда Галлея (1656—1742), доказали, что яркая комета 1682 г. движется по эллиптической орбите. На основе собственных наблюдений этой кометы и анализа достоверных исторических записей о наблюдениях комет за предшествовавшие 300 лет Галлей составил первый каталог 24 комет, включавший рассчитанные им элементы их орбит. Анализируя эти данные, Галлей заметил близкое совпадение орбитальных элементов у трех комет, появлявшихся в 1531, 1607 и 1682 гг. Он предположил, что это может быть одна и та же комета. Ее период обращения вокруг Солнца оказался 75,5 года, так что следующее появление должно было произойти в 1758 г. Предсказание Галлея подтвердилось: в начале 1759 г. появилась яркая комета, утвердив доверие к законам механики, на основе которых были выполнены расчеты кометных траекторий. К сожалению, Галлей не дожил до этого дня. Открытую им периодическую комету назвали кометой Галлея. Так начались научные исследования комет.


Орбиты комет и их классификация

Согласно законам механики, движение тела под действием гравитационного притяжения к другому телу — к Солнцу — происходит по одному из конических сечений — окружности, эллипсу, параболе или гиперболе. Коническими сечениями они названы не случайно: еще древние греки знали, что если плоскостью рассечь круговой конус перпендикулярно его оси, то получится круг; под небольшими углами к оси — эллипсы; параллельно образующей конуса — парабола, а далее, с уменьшением угла между плоскостью и ось конуса будем получать гиперболы. Не случайно слова эллипс, парабола и гипербола имеют греческое происхождение. Любопытства ради заметим, что возможны еще два конических сечения, также представляющих поведение тела в поле тяготения: это прямая линия и точка.


В уравнениях движения за форму орбиты отвечает эксцентриситет (е), физический смысл которого в том, что он указывает отношение кинетической энергии тела к его потенциальной энергии в гравитационном поле Солнца. Если е<1, тело не может преодолеть притяжение Солнца и движется вокруг него по замкнутой орбите — эллипсу или, в частном случае, окружности. При е⩾1 орбита разомкнута; это гипербола или, в частном случае, парабола. К сожалению, в небесной механике столь изящное решение имеет только задача двух тел, например, Солнце + планета. При взаимодействии трех и более тел простого аналитического выражения для их орбит не существует.

К счастью, Солнце гораздо массивнее любой планеты; поэтому каждая из них движется почти по эллиптической орбите, пока не испытает тесного сближения с другой планетой. За миллиарды лет эволюции более или менее массивные члены Солнечной системы «разобрались» друг с другом и устроились на почти круговых орбитах, гарантирующих отсутствие тесных сближений. Большинство малых тел — астероидов, обитающих между орбитами больших планет, пытаясь избежать их влияния, также устроились на стабильных эллиптических орбитах, поэтому их движение вполне предсказуемо (для надежного расчета такой орбиты достаточно измерить небесные координаты тела всего в трех точках его траектории).

С кометами дело обстоит сложнее. По своему статусу — «хвостатое светило» — они должны большую часть жизни проводить в холодных провинциях Солнечной системы (чтобы сохранить летучие элементы), изредка приближаясь к Солнцу (чтобы согреться и показать хвост). Поэтому они вынуждены пересекать орбиты планет и подвергаться их влиянию. В пределах планетной системы ни одна комета не движется по идеальному коническому сечению, поскольку гравитационное воздействие планет постоянно искажает ее «правильную» траекторию.

Кометы делят на два основных класса в зависимости от периода их обращения вокруг Солнца: короткопериодические имеют период менее 200 лет, долгопериодические — более 200 лет. В конце XX в. наблюдалась очень яркая долгопериодическая комета Хейла-Боппа, которая впервые за исторический период появилась в окрестности Солнца. Уже обнаружено около 700 долгопериодических комет. Их эллиптические орбиты настолько вытянуты, что почти не отличимы от парабол, поэтому такие кометы еще называют параболическими. Из них около 30 имеют очень малые перигелийные расстояния, отчего их иногда называются «царапающими Солнце». В отличие от планет и большинства астероидов, орбиты которых лежат вблизи эклиптики, а обращение происходит в одном («прямом») направлении, орбиты долгопериодических комет наклонены к плоскости эклиптики под всевозможными углами, а обращение происходит как в прямом, так и в обратном направлениях.


Короткопериодических комет сейчас известно более 200. Как правило, их орбиты расположены близко к плоскости эклиптики. Все короткопериодические кометы являются членами кометно-планетных семейств. Крупнейшее семейство принадлежит Юпитеру: около 150 комет с афелийными расстояниями (т.е. наибольшим удалением от Солнца) близкими к большой полуоси орбиты Юпитера (5,2 а.е). Их периоды обращения заключены в пределах 3,3—20 лет. Из них часто наблюдаются кометы Энке, Темпеля-2, Понса-Виннеке, Фая.

У других планет кометные семейства не так богаты: известно около 20 комет семейства Сатурна (Тутля, Неуймина-1, Ван Бисбрука, Гейла и др. с периодами 10—20 лет), несколько комет семейства Урана (Кроммелина, Темпеля-Тутля и др. с периодами 28—40 лет) и около 10-ти из семейства Нептуна (Галлея, Ольберса, Понса-Брукса и др. с периодами 58—120 лет). Считается, что все эти короткопериодические кометы вначале были долгопериодическими, но под действием гравитационного влияния больших планет постепенно перешли на орбиты, связанные с соответствующими планетами и стали членами их кометных семейств. Большая численность кометного семейства Юпитера, разумеется, есть следствие огромной массы этой планеты, оказывающей значительно большее гравитационное влияние на движение комет, чем любая другая планета.

Из всех короткопериодических комет наименьший период обращения у кометы Энке из семейства Юпитера: 3,3 года. Эта комета наблюдалась максимальное число раз при сближениях с Солнцем: около 60 раз за два столетия. Но самой известной в истории человечества является комета Галлея из семейства Нептуна. Имеются записи о ее наблюдениях начиная с 467 г. до н.э. За это время она проходила близ Солнца 32 раза, имея средний период обращения 76,08 лет.

Мини-кометы. Как уже было сказано, за последние годы обнаружено более 4000 астероидов, сближающихся с Землей. По оценкам, общее количество таких тел размером более 100 м. может достигать 140000. Но оказалось, что не только астероиды опасно сближаются с Землей. В последнее время вблизи Земли обнаружены так называемые мини-кометы. По каким траекториям они движутся, пока неизвестно, но их орбиты, вероятно, должны быть похожими на орбиты метеорных и болидных потоков (Леонид, Персеид, Акварид, Драконид и других, известных как потоки «падающих звезд»), пересекающихся с земной орбитой в разное время года. Ведь большинство метеорных потоков, как уже твердо установлено, образовалось при распаде кометных ядер.

Попадания мини-комет в нашу планету, по-видимому, уже наблюдались: с помощью наземных телескопов и снимков со спутника «Полар» в земной стратосфере были обнаружены вспышки, предположительно вызванные падением небольших (около 10 м. в диаметре) объектов ледяного состава.


Форма головы и хвоста кометы

Что представляют собой кометы и почему они выглядят так необычно? Первую удачную попытку объяснить феномен кометы предпринял немецкий математик и астроном Фридрих Бессель (1784—1846) в период наблюдения им кометы Галлея в 1835 г. Бессель создал механическую теорию кометных оболочек, основываясь на идее о том, что в голове кометы частички пыли движутся под действием притяжения к Солнцу и отталкивания от него. В конце XIX в. русский астроном Федор Александрович Бредихин (1831—1904) развил теорию Бесселя и построил эмпирическую классификацию кометных хвостов, хорошо описывающую поведение пылевой составляющей кометного вещества и не потерявшую своего значения до наших дней.

Бредихин использовал относительную величину, назовем ее h, которая показывает, во сколько раз солнечная сила отталкивания, действующая на частицы кометного хвоста, превышает силу тяготения. (Теперь известно, что это отталкивание вызвано давлением света на частицы пыли и нейтральные молекулы, а также давлением солнечного ветра на ионизованные молекулы газа.) Бредихин рассчитал формы кометных хвостов при разных значениях величины h и в соответствие с этим классифицировал наблюдавшиеся хвосты.


К I типу он отнес прямолинейные узкие хвосты, почти не отклоняющиеся от направления Солнце-комета; на их частицы действует очень сильное отталкивание; значение h для них лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц. Это газовые, а точнее — плазменные хвосты. Очертания таких хвостов часто бывают неправильными, а их внутренняя структура иногда струйчатая, винтовая или волнистая. Вдоль этих лучей могут перемещаться с большой скоростью сгустки кометной материи — облачные образования.

Ко II типу были отнесены кометные хвосты, для которых 0,6<h<2,5. Хвосты этого типа напоминают сильно изогнутый конус, отклоненный назад. Они образованы пылинками разной величины, непрерывно выделяющимися из ядра. В конце таких хвостов часто наблюдаются раздвоенные полоски, направленные к ядру кометы, — так называемые синхроны. Они возникают при единовременном (синхронном) выбросе из ядра кометы целого облака частиц, которые затем движутся с различным ускорением (световое давление действует по разному на пылевые частицы разного размера).

Если в системе координат, связанной с ядром, диапазон ускорений начинается от нуля, то и синхрона выходит непосредственно из ядра. Таковы хвосты III типа, у которых 0<h<2,5. Это короткие прямые хвосты, представляющие одну сплошную синхрону. Серия последовательных выбросов приводит к образованию нескольких синхрон в хвосте кометы.

Аномальные хвосты. Иногда у комет появляются хвосты совершенно необычного вида, их называют аномальными. В отличие от нормального кометного хвоста, направленного от Солнца, аномальный хвост имеет вид заостренной пики и направлен прямо к Солнцу. Это необычное явление отчасти объясняется геометрическими причинами: при некоторых взаимных положениях кометы, Земли и Солнца отклоненные назад хвосты II и III типов видны с Земли как бы направленными в сторону Солнца. Но, вероятно, это не единственная причина.

Возможно, аномальный хвост возникает при выбросе из ядра кометы (чаще всего — в момент наибольшего сближения с Солнцем) крупнозернистой пыли с размером частиц 0,1—1 мм. Давление света на такие крупные пылинки намного меньше их притяжения к Солнцу, поэтому и движение у них весьма своеобразное.

Есть причины полагать, что для образования аномальных хвостов недостаточно действия только сил тяготения и светового давления. Скорее всего, такие хвосты возникают при резком выбросе пылевых частиц из некоторых кометных ядер в сторону Солнца. Однако механизм направленного выброса пыли пока остается неясным.

Аномальные хвосты наблюдались более чем у 20 комет. Одной из них была комета Когоутека (1973 XII), на необычный хвост которой первыми обратили внимание астронавты, работавшие на орбитальной станции «Скайлэб».


Физические процессы в атмосфере кометы

Изучая форму комет и их спектры, астрономы в конце XIX и начале XX вв. поняли, что разреженные головы и хвосты комет состоят из молекул газа и твердых пылинок, движущихся под действием гравитации и давления солнечного света. Но ясное представление о физико-химических процессах, происходящих в кометах, сформировалось только к середине XX в.

Напомним, что раскаленные жидкости и твердые тела, а также полностью ионизованные газы дают излучение с непрерывным спектром. Горячий газ, состоящий из атомов, излучает отдельные линии, а молекулярный газ излучает широкие полосы, состоящие из множества линий.

Механизм свечения кометных «голов и хвостов» выясняли довольно долго: в период пролета кометы Галлея (1910 II) К. Шварцшильд и Е. Крон в 1911 г. установили, что молекулы и атомы кометной атмосферы не рассеивают, а переизлучают солнечный свет. Но только к 1934 г. стало окончательно ясно, что при этом происходит резонансная люминесценция, при которой атом возбуждается фотоном из основного состояния, а затем возвращается в него, излучая точно такой же фотон. Но обнаружены и другие виды свечения кометных газов, которые не удается объяснить люминесценцией. Например, зеленая и красная запрещенные линии кислорода (которые видны также в спектрах полярных сияний), красная линия атомарного водорода и ряд других. Их наличие в спектрах комет пытались и пытаются объяснить рядом механизмов (электронный удар, фотодиссоциация). Но окончательное решение еще не найдено.

Исследование спектров комет позволяет определить состав газа и его физическое состояние, например, степень ионизации. Выяснилось, что хвосты III типа имеют непрерывный спектр; это подтверждает предположение об их пылевом составе. Хотя хвосты II типа тоже демонстрируют непрерывный спектр, но есть основания считать, что он формируется путем многократного наложения большого количества спектральных полос разных молекул газа. Спектры хвостов I типа, в отличие от других, полосатые. В них присутствует излучение только ионизованных молекул (в основном N+2, СО+ и реже СО+2). Именно с этим связаны аномально большие ускорения частиц в хвостах I типа, которые невозможно объяснить действием лучевого давления. Теперь понятно, что большие ускорения и быстрые спиралевидные и волновые движения в хвостах этого типа вызваны давлением на ионизованный газ потоков солнечного ветра, несущего магнитное поле. Впрочем, далеко не все особенности поведения кометных хвостов уже вполне объяснены.


Поведение кометы

Вдали от Солнца у комет нет атмосферы, и они ничем не отличаются от обычных астероидов. После сближения с Солнцем до расстояния примерно 11 а.е. у них появляется оболочка неправильной формы — кома. Твердое ядро и окружающую его кому вместе называют головой кометы. В телескоп такая комета видна как туманное пятнышко, и отличить ее от далекого звездного скопления или планетарной туманности удается только по заметному собственному движению.

На расстоянии 3—4 а.е. от Солнца у кометы постепенно начинает развиваться хвост, который становится хорошо заметным на расстоянии менее 2 а.е. Хвост кометы представляет величественное зрелище: он простирается иногда на десятки и даже сотни миллионов километров, хотя и представляет из себя «видимое ничто». При дальнейшем сближении кометы с Солнцем ее хвост может разделиться на два и более хвостов, приобретая сложную структуру. Голова же кометы увеличивается до максимального размера на расстояниях 1,6—0,9 а.е., а затем уменьшается.

В разделе «Астероиды» рассказано об спектральной классификации малых планет. Предпринимаются попытки осуществить систематизацию и кометных спектров, чтобы на этой основе провести классификацию комет. Возможно, в будущем, когда будет накоплен больший наблюдательный материал по спектрам разных комет, это удастся осуществить.

Один из способов описания спектров комет предложил астроном И. Боушка. Для краткой характеристики спектра он использует следующие обозначения: «С» (от continuum) для непрерывного спектра; «Е» (от emission) для молекулярного спектра излучения; интенсивность спектра в соответствии с ее ростом характеризуется цифрами 1, 2 и 3; на отсутствие непрерывного или эмиссионного спектра указывает цифра «0»; если наиболее интенсивны полосы циана, добавляется буква «с», если присутствуют линии натрия — буква «n», если линии металлов — буква «m», и т.д. В скобках добавляется гелиоцентрическое расстояние кометы в момент получения спектра. Например, запись для одного из спектров кометы Когоутека (1970 III) выглядит так: СЗЕ1с(1,7). Это означает, что на гелиоцентрическом расстоянии 1,7 а.е. у кометы наблюдался очень сильный непрерывный спектр и слабые молекулярные полосы, среди которых наиболее интенсивными были полосы циана.

По спектрам комет в их головах и хвостах были обнаружены многие атомы, молекулы и пылевые частицы. Зафиксированные в кометах молекулы разделяют на родительские и дочерние. Родительские — это исходные, присутствующие в холодном веществе кометы, а дочерние — фрагменты родительских, возникающие под действием высокой температуры, коротковолнового излучения, бомбардировки космическими частицами. Какие именно молекулы родительские, а какие — дочерние, вопрос непростой. Многие специалисты считают, что родительские — это наиболее стабильные молекулы.

Предлагаются разные комбинации родительских молекул, вплоть до сложных органических соединений типа нитрилов, альдегидов, карбоновых кислот и аминокислот, лежащих в основе живой материи. Но есть и мнение, что родительскими могут быть только молекулы, которые имеют в своем составе радикалы (группы из нескольких атомов) со слабой химической связью с молекулярными основаниями, разрушаемой при изменении физических условий. Получившиеся после этого свободные радикалы способны образовывать новые — дочерние — соединения. Эти вопросы требуют дальнейших исследований.

Сейчас считается общепринятым, что в состав кометных атмосфер входят следующие компоненты:

1. Органические молекулы:

а) дочерние (производные): С, С2, С3, CN, СО, CS;

б) родительские: HCN, CH3CN, С3СН и др.;

2. Неорганические молекулы:

а) дочерние: Н, О, ОН, NH, NH2;

б) родительские: Н2О, N2 и др.;

3. Металлы: Na, Са, Cr, Со, Mn, Fe, Ni, Сu, V, Si.

4. Ионы: СО+, СО+2, СН+, CN+, N+2, ОН+, Н20+ и др.

5. Пыль: силикаты.


Ядра комет

Предположение о том, что причиной увеличения яркости комет и появления у них комы и хвостов при сближении с Солнцем является присутствие в их ядрах льдов высказал в 1948 г. С.К. Всехсвятский и детально развил в начале 1950-х Ф. Уиппл (хотя близкие идеи высказывали еще П.С. Лаплас и Ф. Бессель). Согласно модели Уиппла, ядро кометы — это ком из «грязного снега», то есть сравнительно рыхлое образование из льдов разного состава (вода, аммиак, метан и углекислый газ), смерзшегося с пылью и фрагментами горных пород. Резкое возрастание светимости кометы объясняется ее нагревом при сближении с Солнцем и потерей вещества вследствие испарения (точнее — сублимации, т.е. перехода вещества из твердой фазы сразу в пар).

У новых или «молодых» комет, совершивших всего одно или несколько сближений с Солнцем, этот процесс идет интенсивно, поскольку они состоят из реликтовых (неизмененных) льдов. Но у «старых» комет при очередных возвращениях к Солнцу испарение вещества происходит все слабее, поскольку на поверхности их ядер накапливаются тугоплавкие частицы пыли и крупные силикатные фрагменты, образующие защитную корку, предохраняющую лежащий под ней лед от испарения.

Модель Уиппла проста, поэтому не может объяснить тонкостей. Если исходить из этой модели, то льды разных летучих соединений должны испаряться с разными скоростями и, что самое главное — при разных температурах, а значит, на разных расстояниях от Солнца. Но это не подтверждают спектральные наблюдения. В 1952 г. модель Уиппла усовершенствовали П. Свинге и А. Дельзем, предположив, что в кометные ядра входят не чистые льды летучих веществ, а их гидраты. В каждое из таких соединений наряду с «родительской» молекулой вещества входят и несколько молекул воды, число которых определяется свойствами родительской молекулы. Такие сложные гидраты могут образовываться в космическом вакууме при очень низких температурах. По физическим свойствам все они очень схожи, в частности, испаряются примерно при одинаковой температуре и с близкими скоростями.

Современные модели «новых» комет представляют ядро как очень рыхлое образование, типа гигантского снежного кома. После многократных прохождений близ Солнца «новая» комета стареет, ее ядро уменьшается за счет потери большей части летучих из поверхностного слоя и покрывается коркой из нелетучих соединений.

С другой стороны, ядра «старых» комет, к которым относят и комету Галлея, хорошо описываются «пятнистой» моделью. Такое название связано с предположением о том, что в поверхностной теплоизолирующей корке имеются дыры, трещины или другие обнажения подкоркового вещества с высоким содержанием летучих соединений, из которых происходит интенсивная сублимация этих веществ, вплоть до истечения газовых струй, способных вызывать реактивное ускорение кометного ядра.

Массы ядер комет, вероятно, лежат в пределах от нескольких тонн (мини-кометы) до 1011—1012 т. Измерить массы кометных ядер пока не удается по причине их малости. Более или менее точно удалось оценить только массу ядра кометы Галлея по его гравитационному влиянию на космические зонды «Вега-1 и -2» (СССР) и «Джотто» (ЕКА), сблизившиеся с ним в марте 1986 г. В тот момент масса ядра была близка к 6×1011 т.

Тогда же было подтверждено, что ядро кометы Галлея представляет ледяную глыбу (по форме напоминающую картофелену. Размер этого тела вдоль большой оси около 14 км., а вдоль двух малых осей — по 7,5 км. Ядро вращается вокруг малой оси с периодом 53 часа. Температура поверхности ядра на расстоянии 0,8 а.е. от Солнца была 360 К (87°С). Поверхность ядра оказалась очень темной, отражающей лишь 4% света (примерно как свеженакатанный асфальт). Вероятно, ледяное тело кометы действительно покрыто теплоизолирующим слоем из тугоплавких частиц (металлов, серы, кремния, их окислов и других соединений), существование которого предполагал Уиппл в своей модели. Там, где лед испаряется, струи водяного пара, углекислого и других газов вместе с пылью вырываются из-под коры. В момент прохождения перигелия комета каждую секунду теряла около 45 т. газообразных соединений и 5-8 т. пыли.


Рис. Ядро кометы Галлея.


Легко подсчитать, что запасов летучего вещества должно хватить комете Галлея на сотню тысяч лет. За это время она может совершить еще около 1300 оборотов вокруг Солнца, а затем, вероятно, пополнит число вымерших комет. Это бывшие кометные ядра, которые уже не проявляют признаков активности и по наблюдаемым характеристикам ничем не отличаются от астероидов.


Опасно ли для Земли столкновение с кометой?

При прохождении Земли через кометные хвосты не было замечено никаких, даже самых незначительных эффектов. Опасность для Земли могут представлять только кометные ядра. Подтверждением этого, служит явление «Тунгусского метеорита», случившееся 17 (30) июня 1908 г. в безлюдном таежном районе Сибири, в бассейне р. Подкаменная Тунгуска. В действительности, это уникальное природное событие закончилось не падением на землю метеорита, а мощным взрывом в атмосфере, на высоте около 10 км. Энергия взрыва составила 1016—1017 Дж, что эквивалентно 10-мегатонной бомбе. Произошел массовый вывал леса в радиусе 15—30 км., но ни вещества метеорита, ни кратера от его падения найдено не было. Отсутствие космических обломков стало одним из основных аргументов в пользу кометной природы Тунгусского тела. Если оно состояло из замерзших летучих веществ, то могло полностью испариться при резком торможении и взрыве в земной атмосфере. Астрономы И.Т. Зоткин и Л. Кресак независимо показали, что координаты радианта Тунгусского метеорита (т.е. направление, откуда он двигался) совпадают с координатами радианта метеорного потока Таурид, связанного с кометой Энке (2P/Encke).

Наибольшую опасность для биосферы Земли представляют массивные долгопериодические кометы, хотя они и попадают в зону планет земной группы примерно в десять раз реже, чем короткопериодические. Их появление чаще всего бывает неожиданным из-за произвольной ориентации плоскостей орбит и очень больших периодов обращения. На встречных траекториях скорость столкновения этих комет с Землей очень высока — до 72 км/с, что может вызвать колоссальный взрыв. Возможность подобной катастрофы подтверждается фактами: на поверхности Земли обнаружены сотни крупных ударных кратеров.

Одно из самых массовых вымираний флоры и фауны за последние 230 млн. лет произошло 65 млн. лет назад (между мезозойской и кайнозойской биологическими эрами, т.е. на рубеже мелового и третичного геологических периодов), когда исчезло около 2/3 всех биологических видов, включая динозавров. С этим же моментом в геологических отложениях связан слой с повышенным содержанием очень редкого на Земле элемента иридия. Л. Альварес и С. Ванденберг показали, что содержание иридия в тот период на земной поверхности могло резко увеличиться в результате падения крупного кометного ядра, имевшего повышенное содержание этого элемента. Был даже найден кратер с подходящим возрастом и соответствующими морфологическими особенностями, который мог при этом образоваться. Это кратер Чиксулуб диаметром 180 км. на полуострове Юкатан в Мексике. Но причиной вымирания стала не повышенная концентрация иридия, а сильнейший взрыв при столкновении кометного ядра с Землей, который привел к выбросу в атмосферу огромного количества пыли.

Глобальное запыление атмосферы неизбежно приводит к резкому падению температуры ее нижних слоев (на 10—15°С), так как пыль экранирует солнечные лучи. Такое изменение средней температуры может сохраняться до 1 года, вызывая эффект «ядерной зимы» (неизбежный при массовом применении ядерного оружия, откуда и родилось его название). Вполне вероятно, что такой эффект, вызванный падением крупного кометного ядра или астероида, привел 65 млн. лет назад к катастрофической гибели живых организмов.

Еще одно недавнее событие напомнило нам о реальности столкновения с кометой: в июле 1994 г. в Юпитер врезались фрагменты кометы Шумейкеров-Леви-9. Ее обнаружили в окрестности Юпитера в начале 1993 г. уже после того, как она распалась на 20 фрагментов, цепочкой растянувшихся вдоль орбиты. Вероятно, это кометное ядро было разорвано на части приливными силами Юпитера в момент близкого прохождения мимо него. Падение обломков кометы размером от 1 до 10 км. со скоростью около 60 км/с происходило с 16 по 22 июля 1994 г. Эффект был грандиозным. Следы взрывов в виде огромных темных пятен надолго остались в атмосфере Юпитера.

Но столкновения с кометами могут приводить не только к катастрофам. Ряд ученых считает, что сразу после своего формирования охладившаяся поверхность Земли была очень суха (как сейчас лунная), и что практически вся вода и другие летучие соединения были принесены на Землю ядрами комет. Кстати, кометы могли доставить не только воду, но и сложные органические соединения, создав основу для зарождения жизни.


О происхождении комет и их эволюции

В процессе многократных прохождений вблизи Солнца кометы либо истощаются и становятся похожими на астероиды, либо разрушаются и рассеиваются, превращаясь в метеорные потоки, либо сталкиваются с более крупными телами. Казалось бы, число комет должно со временем уменьшаться. Но в действительности количество вновь открываемых комет не уменьшается, а скорее наоборот. Конечно, отчасти это происходит потому, что возрастает количество наземных обсерваторий, увеличиваются наблюдательные возможности и даже просто становится больше людей, занимающихся поиском новых комет. Тем не менее, по оценкам ученых поток комет во внутренние области Солнечной системы не ослабевает. Поэтому, естественно предположить, что взамен исчезающих комет откуда-то постоянно «приходят» новые.

Происхождение комет — это наиболее сложная и интересная проблема для астрономов, изучающих кометы. Лет 50 назад казалось, что ответы на главные вопросы уже получены. В конце 1940-х гг. советские космогонисты О.Ю. Шмидт, Б.Ю. Левин и В.С. Сафронов показали, что в процессе роста планет-гигантов (особенно Юпитера и Сатурна) их гравитационные возмущения становятся настолько сильными, что начинается массовый выброс более мелких первичных тел (планетезималей) из ближайших к орбитам гигантов кольцевых зон. Практически все тела, не вошедшие к этому моменту в состав планет, были выброшены из этих зон. Выброс планетезималей не только мог существенно повлиять на эволюцию пояса астероидов и планет земной группы, но и мог создать на периферии Солнечной системы резервуар кометных тел, из которого они приходят сейчас.

В 1950 г. голландский астрофизик Ян Оорт, проанализировав движение известных в то время 19 долгопериодических комет, обнаружил, что афелии их первичных орбит удалены на расстояние около 200000 а.е. от Солнца. Оорт предположил, что Солнечная система окружена гигантским облаком кометных тел или ледяных планетезималей, которых по его оценке насчитывается до 1011 тел. Если в 1950 г. Оорт исходил из предположения о том, что эти тела были «заброшены» на такие расстояния в результате взрыва гипотетической планеты (которая раньше якобы существовала на месте современного главного пояса астероидов), то уже в 1951 г. он согласился с выводами шмидтовской школы. Предсказанное им кометное облако в дальнейшем стали называть «облаком Оорта». Заметим однако, что идею о существовании связанного с Солнцем семейства комет высказывал еще в начале 1870-х гг. Дж. Скиапарелли.


Итак, согласно гипотезе Оорта, это облако является тем резервуаром комет, в котором они «хранятся» и из которого под действием гравитационных возмущений от сближающихся с Солнцем звезд или гигантских газо-пылевых облаков попадают во внутреннюю область нашей планетной системы как «новые кометы». Однако те же гравитационные возмущения должны вызывать и рассеяние этого облака со временем, поэтому вопрос о его стабильности в течение времени существования Солнечной системы пока не решен.

Новые кометы становятся долгопериодическими, если возмущения от планет-гигантов или других планет не переводят их в разряд короткопериодических. Но о происхождении последних были и специальные гипотезы. Так называемую «эруптивную» гипотезу предложил в 1812 г. Ж.-Л. Лагранж. Он полагал, что кометы рождаются при вулканических выбросах с планет-гигантов. В середине XX в. эта гипотеза была развита С.К. Всехсвятским, который «перенес» источник эруптивных выбросов комет с планет-гигантов на их крупные спутники (где позже действительно была обнаружена вулканическая активность).

Но гипотезы Оорта и Лагранжа-Всехсвятского приходят в противоречие с наблюдательными данными о короткопериодических кометах. Орбиты этих комет лежат близко к плоскости эклиптики. Это обстоятельство свидетельствует о возможной общности их происхождения. В последнее время ряд ученых развивает гипотезу о том, что большинство короткопериодических комет появляется из реликтовых поясов ледяных планетезималей (поясов Казимирчак-Полонской), возникших при формировании Солнечной системы и сохранившихся между планетами-гигантами близ плоскости эклиптики. Как показывают расчеты, между орбитами всех больших планет имеются весьма широкие кольцевые зоны, в которых пояса малых тел могут быть вполне устойчивыми. Минимальные расстояния между зонами сильных возмущений (сферами Хилла) соседних больших планет составляют: 4,0 а.е. (Юпитер—Сатурн), 9,2 а.е. (Сатурн—Уран) и 11,2 а.е. (Уран—Нептун). Все эти величины превышают аналогичное расстояние для пары Марс—Юпитер (3,2 а.е.), в пределах которого стабильно существует главный пояс астероидов.

Сильным аргументом в пользу существования таких поясов является и открытие «занептунного» пояса Койпера, в котором уже обнаружено около двухсот крупных тел размером 100—800 км. Их орбиты простираются до 200 а.е. Пояс Койпера уже можно рассматривать как источник долгопериодических комет, приходящих в центральную область Солнечной системы в результате столкновений между телами этого пояса. С другой стороны, пока не ясно, почему обнаружено так мало кометных тел (кроме астероида-кометы Хирона и еще нескольких подобных объектов) на расстояниях, соответствующих предполагаемым поясам Казимирчак-Полонской. Остается надеяться, что дальнейшие исследования комет позволят ответить на эти вопросы.


Метеоры и метеориты. Метеорные явления и «камни, падающие с неба»

Земля, как и другие планеты, регулярно испытывает столкновения с космическими телами. Обычно их размер невелик, не более песчинки, но за 4,6 млрд. лет эволюции случались и ощутимые удары; их следы заметны на поверхности Земли и других планет. С одной стороны, это вызывает естественное беспокойство и желание предвидеть возможную катастрофу, а с другой — любопытство и жажду исследовать попавшее на Землю вещество: кто знает, из каких космических глубин оно прибыло? Страх и любознательность сопровождают человека с момента его появления на планете. Плодом любознательности, как правило, является освобождение от страха.


«Падающие звезды» — метеоры и болиды

Межпланетные объекты, размер которых не превышает нескольких сотен метров, принято называть метеорными телами, или метеороидами. Влетая с космической скоростью в атмосферу планеты, они из-за столкновения с молекулами газа сильно нагреваются, дробятся, плавятся, испаряются и оставляют за собой в полете светящийся секунду-другую след. Это атмосферное явление называют метеором. Обычно метеоры замечают на фоне ясного ночного неба, поэтому в народе их называют «падающими звездами». Видимую яркость метеоров выражают так же, как яркость других небесных объектов — в звездных величинах, основываясь на субъективном впечатлении, которое метеор оставляет у наблюдателя.

Если яркость метеора превосходит —4m (т.е. яркость Венеры), то его называют болидом. Наиболее яркие болиды видны даже днем; их полет иногда сопровождается яркими вспышками, дымным следом, а порой и мощными звуками. При яркости более —6m на поверхность Земли обычно выпадает твердый остаток — метеорит. Наиболее вероятными кандидатами на выпадение метеорита являются медленные болиды, не демонстрирующие в конце траектории резкой вспышки, означающей разрушение.

Если несколько независимых наблюдателей сообщают точные данные о траектории болида, т.е. вероятность обнаружить выпавший метеорит. Особую ценность представляют фото- и видеозаписи болидов, точные зарисовки их траекторий относительно звезд с указанием времени и места наблюдения. Эту информацию следует направлять в Комитет по метеоритам РАН, адрес которого указан в конце этой главы.


Звездопады — метеорные дожди

Иногда можно наблюдать метеорный дождь — захватывающее зрелище почти одновременного массового входа в атмосферу метеороидов, движущихся по параллельным траекториям. В отличие от метеорного дождя, метеорным потоком называют множественное появление метеоров примерно в одной и той же области неба в течение более значительного промежутка времени, например, в течение нескольких ночей. Если видимые пути этих метеоров продолжить назад, то они пересекутся вблизи одной точки неба, называемой радиантом метеорного потока.

Многие метеорные потоки можно наблюдать периодически, в одни и те же дни года, на фоне одного и того же созвездия. На этом основании метеорным потокам присваивают названия, образованные от латинских имен тех созвездий, в которых лежат их радианты. Многим знакомы такие «звездопады», как Персеиды (в августе), Леониды (в ноябре) и некоторые другие. Например, поток Леониды, наблюдающийся в районе созвездия Льва, известен с 902 г.


Рис. Метеорный поток Персеиды.


В разделе «Кометы» говорится о том, что абсолютное большинство метеорных потоков образовалось в результате распада ядер комет, растерявших самые летучие соединения при неоднократных сближениях с Солнцем. Поэтому в названиях некоторых метеорных потоков используют имена тех комет, с которыми, как было установлено, они связаны (Биэлиды, Джакобиниды, и т.п.).


Начало метеоритных исследований

Как справедливо писал в 1819 г. известный химик Петербургской Академии наук Иван Мухин, «начало преданий о низпадающих из воздуха камнях и железных глыбах теряется в глубочайшем мраке веков протекших».

Метеориты известны человеку уже многие тысячи лет. Обнаружены орудия первобытных людей, сделанные из метеоритного железа. Случайно находя метеориты, люди едва ли догадывались об их особом происхождении. Исключение составляли находки «небесных камней» сразу после грандиозного зрелища их падения. Тогда метеориты становились предметами религиозного поклонения. О них слагали легенды, их описывали в летописях, боялись и даже приковывали цепями, чтобы они снова не улетели на небо.

Сохранились сведения, что Анаксагор считал метеориты обломками Земли или твердых небесных тел, а другие древнегреческие мыслители — обломками небесной тверди (см.: Романский И.Д. Анаксагор с. 93-94). Эти, в принципе, правильные представления продержались до тех пор, пока люди еще верили в существование небесной тверди или твердых небесных тел. Затем на длинное время их сменили совершенно другие идеи, объяснявшие происхождение метеоритов любыми причинами, но только не небесными.

Основы научной метеоритики заложил Эрнст Хладни (1756—1827), уже достаточно известный к тому времени немецкий физик-акустик. По совету своего друга-физика X. Лихтенберга он занялся сбором и изучением описаний болидов и сравнением этой информации с той, что была известна о найденных камнях. В результате этой работы Хладни в 1794 г. издал книгу «О происхождении найденной Палласом и других подобных ей железных масс и о некоторых связанных с этим явлениях природы». В ней, в частности, обсуждался загадочный образчик «самородного железа», обнаруженный в 1772 г. экспедицией академика Петра Палласа и впоследствии доставленный в Петербург из Сибири. Как оказалось, эта масса была найдена еще в 1749 г. местным кузнецом Яковом Медведевым и первоначально весила около 42 пудов (почти 700 кг.). Анализ показал, что она состоит из смеси железа с каменистыми включениями и представляет собой редкий тип метеорита. В честь Палласа метеориты этого типа были названы палласитами. В книге Хладни убедительно доказано, что Палласово железо и многие другие «упавшие с неба» камни имеют космическое происхождение.

Метеориты делят на «упавшие» и «найденные». Если кто-то видел, как метеорит падал сквозь атмосферу и затем его действительно обнаружили на земле (событие редкое), то такой метеорит называют упавшим. Если же он был найден случайно и опознан как «космический пришелец» (что типично для железных метеоритов), то его называют найденным. Метеоритам дают имена по названиям мест, где их нашли.


Случаи падения метеоритов на территории России

Старейшая запись о падении метеорита на территории России обнаружена в Лаврентьевской летописи 1091 г., но она не очень подробна. Зато в XX в. в России произошел ряд крупных метеоритных событий. В первую очередь (не только хронологически, но и по масштабу явления) это падение Тунгусского метеорита, случившееся 30 июня 1908 г. (по новому стилю) в районе реки Подкаменная Тунгусска. Столкновение этого тела с Землей привело к сильнейшему взрыву в атмосфере. Возникшая при этом взрывная волна несколько раз обошла земной шар, а в месте взрыва повалила деревья в радиусе до 40 км. от эпицентра и привела к гибели большого количества оленей. К счастью, это грандиозное явление произошло в безлюдном районе Сибири и почти никто из людей не пострадал.

К сожалению, из-за войн и революций исследование района Тунгусского взрыва началось только через 20 лет. К удивлению ученых, они не обнаружили в эпицентре никаких, даже самых незначительных обломков упавшего тела. После многократных и тщательных исследований Тунгусского события большинство специалистов считает, что оно было связано с падением на Землю небольшого ядра кометы.

Дождь каменных метеоритов выпал 6 декабря 1922 г. близ села Царев (ныне Волгоградской области). Но его следы были обнаружены только летом 1979 г. Собрано 80 осколков общим весом 1,6 тонны на площади около 15 кв. км. Вес крупнейшего фрагмента составил 284 кг. Это наибольший по массе каменный метеорит, найденный в России, и третий в мире.

К числу самых крупных, наблюдавшихся при падении метеоритов, относится Сихоте-Алиньский. Он упал 12 февраля 1947 г. на Дальнем Востоке в окрестностях хребта Сихоте-Алинь. Вызванный им ослепительный болид наблюдали в дневное время (около 11 ч. утра) в Хабаровске и других местах в радиусе 400 км. После исчезновения болида раздавались грохот и гул, происходили сотрясения воздуха, а оставшийся пылевой след медленно рассеивался около двух часов. Место падения метеорита быстро обнаружили по сведениям о наблюдении болида из разных пунктов. Туда немедленно отправилась экспедиция Академии наук СССР под руководством акад. В.Г. Фесенкова и Е.Л. Кринова — известных исследователей метеоритов и малых тел Солнечной системы. Следы падения были хорошо видны на фоне снежного покрова: 24 кратера диаметром от 9 до 27 м. и множество мелких воронок. Оказалось, что метеорит еще в воздухе распался и выпал в виде «железного дождя» на площади около 3 кв. км. Все найденные 3500 обломков состояли из железа с небольшими включениями силикатов. Крупнейший фрагмент метеорита имеет массу 1745 кг., а общая масса всего найденного вещества составила 27 т. По рассчетам начальная масса метеороида была близка к 70 тоннам, а размер — около 2,5 м. По счастливой случайности этот метеорит также упал в ненаселенном районе, и никто не пострадал.

И наконец, о последних событиях XX в. Одно из них также произошло на территории России, в Башкирии, близ г. Стерлитамак. Очень яркий болид наблюдали 17 мая 1990 г. в 23 ч. 20 мин. Очевидцы сообщили, что на несколько секунд стало светло, как днем, раздались гром, треск и шум, от которых зазвенели оконные стекла. Сразу после этого на загородном поле обнаружили кратер диаметром 10 м. и глубиной 5 м., но нашли только два относительно небольших фрагмента железного метеорита (весом 6 и 3 кг.) и много мелких. К сожалению, при разработке этого кратера с помощью экскаватора был пропущен более крупный фрагмент метеорита. И только спустя год дети обнаружили в отвалах грунта, извлеченного экскаватором из кратера, основную часть метеорита весом 315 кг.

20 июня 1998 г., около 17 часов в Туркмении, близ города Куня-Ургенч днем при ясной погоде упал хондритовый метеорит. Перед этим наблюдался очень яркий болид, причем на высоте 10—15 км. произошла вспышка, сравнимая по яркости с Солнцем, раздался звук взрыва, грохот и треск, которые были слышны на расстоянии до 100 км. Основная часть метеорита весом 820 кг. упала на хлопковое поле всего в нескольких десятках метров от работавших на нем людей, образовав воронку диаметром 5 м. и глубиной 3,5 м.


Физические явления, вызванные полетом метеороида в атмосфере

Скорость тела, падающего на Землю издалека, вблизи ее поверхности всегда превышает вторую космическую скорость (11,2 км/с). Но она может быть и значительно больше. Скорость движения Земли по орбите составляет 30 км/с. Пересекая орбиту Земли, объекты Солнечной системы могут иметь скорость до 42 км/с (параболическая скорость на расстоянии 1 а.е. от Солнца, равная √2×30 км/с). Поэтому на встречных траекториях метеороид может столкнуться с Землей со скоростью до 72 км/с.

При входе метеороида в земную атмосферу происходит много интересных явлений, о которых мы только упомянем. Вначале тело вступает во взаимодействие с очень разреженной верхней атмосферой, где расстояния между молекулами газа больше размера метеороида. Если тело массивное, то это никак не влияет на его состояние и движение. Но если масса тела ненамного превышает массу молекулы, то оно может полностью затормозиться уже в верхних слоях атмосферы и будет медленно оседать к земной поверхности под действием силы тяжести. Оказывается, таким путем, т.е. в виде пыли, на Землю попадает основная доля твердого космического вещества. Подсчитано, что ежедневно на Землю поступает порядка 100 т. внеземного вещества, но только 1% этой массы представлен крупными телами, имеющими возможность долететь до поверхности.

Заметное торможение крупных объектов начинается в плотных слоях атмосферы, на высотах менее 100 км. Движение твердого тела в газовой среде характеризуется числом Маха (М) — отношением скорости тела к скорости звука в газе. Число М для метеороида меняется с высотой, но обычно не превосходит М=50. Перед метеороидом образуется ударная волна в виде сильно сжатого и разогретого атмосферного газа. Взаимодействуя с ней, поверхность тела нагревается до плавления и даже испарения. Набегающие газовые струи разбрызгивают и уносят с поверхности расплавленный, а иногда и твердый раздробленный материал. Этот процесс называют абляцией.

Раскаленные газы за фронтом ударной волны, а также капельки и частички вещества, уносимые с поверхности тела, светятся и создают явление метеора или болида. При большой массе тела явление болида сопровождается не только ярким свечением, но порой и звуковыми эффектами: громким хлопком, как от сверхзвукового самолета, раскатами грома, шипением, и т.п. Если масса тела не слишком велика, а его скорость находится в диапазоне от 11 км/с до 22 км/с (это возможно на «догоняющих» Землю траекториях), то оно успевает затормозиться в атмосфере. После этого метеороид движется с такой скоростью, при которой абляция уже не эффективна, и он может в неизменном виде долететь до земной поверхности. Торможение в атмосфере может полностью погасить горизонтальную скорость метеороида, и дальнейшее его падение будет происходить почти вертикально со скоростью 50—150 м/с, при которой сила тяжести сравнивается с сопротивлением воздуха. С такими скоростями на Землю упало большинство метеоритов.

При очень большой массе (более 100 т.) метеороид не успевает ни сгореть, ни сильно затормозиться; он ударяется о поверхность с космической скоростью. Происходит взрыв, вызванный переходом большой кинетической энергии тела в тепловую, и на земной поверхности образуется взрывной кратер. В результате значительная часть метеорита и окружающие породы плавятся и испаряются.

Нередко наблюдается выпадение метеоритных дождей. Они образуются из фрагментов разрушающихся при падении метеороидов. Примером может служить Сихоте-Алиньский метеоритный дождь. Как показывают расчеты, при снижении твердого тела в плотных слоях земной атмосферы на него действуют огромные аэродинамические нагрузки. Например, для тела, движущегося со скоростью 20 км/с разность давлений на его фронтальную и тыльную поверхности меняется от 100 атм. на высоте 30 км. до 1000 атм. на высоте 15 км. Такие нагрузки способны разрушить абсолютное большинство падающих тел. Только наиболее прочные монолитные металлические или каменные метеориты способны их выдержать и долететь до земной поверхности.

Уже несколько десятилетий существуют так называемые болидные сети — системы наблюдательных пунктов, оборудованных специальными фотокамерами для регистрации метеоров и болидов. По этим снимкам оперативно вычисляются координаты возможного места падения метеоритов и проводится их поиск. Такие сети были созданы в США, Канаде, Европе и СССР и охватывают территории примерно по 106 кв. км.


О метеоритных кратерах и других последствиях падений метеоритов

Встречи Земли с крупными метеороидами создают опасность для людей и всего, что ими создано, а также для земной флоры и фауны. Более того, катастрофические события, подобные Тунгусскому, могут создать угрозу всей человеческой цивилизации. Конечно, это может произойти только при столкновении с достаточно большим телом, типа астероида или ядра кометы. Земная поверхность хранит следы таких столкновений в виде кратеров больших размеров — так называемых астроблем (т.е. «звездных ран»). Их уже обнаружено более 230. Диаметры самых крупных из них превышают 200 км.

Один из хорошо сохранившихся кратеров (по причине его относительной молодости) — так называемый Метеорный кратер, или Каньон дьявола, расположенный на плато Колорадо (1700 м. над уровнем моря) в северной части штата Аризона, США. В 1906 г. горный инженер Дэниел Берринджер (D.М. Barringer, 1860—1929) доказал, что этот кратер диаметром 1,2 км. имеет ударное происхождение: Берринджер обнаружил фрагменты метеорита, рассеянные в радиусе 5 км. вокруг кратера. При дальнейших исследованиях было собрано около 12 т. космического вещества и установлено, что кратер возник при падении железо-никелевого метеорита размером около 40 м. и массой около 300 тыс. тонн, летевшего со скоростью около 12 км/с. Это удалось установить в 2005 г. путем математического моделирования процесса образования кратера. Расчет показал, что метеорит начал разрушаться на высоте около 5 км., сплющился и превратился в «блин» диаметром 200 м. В воздушной ударной волне рассеялась энергия, эквивалентная взрыву 6,5 мегатонн ТНТ, и еще 2,5 Мт. выделилось при ударе о поверхность. Таким образом, полная энергия была почти такой же, как у Тунгусского метеорита, но результат оказался совсем иной!

Из-за атмосферной и водной эрозии на Земле практически не осталось древних кратеров размером менее 1 км. Даже гигантские кратеры диаметром в сотни километров исчезают примерно за 100 млн. лет. Известный пример — кратер Чиксулуб (Chicxulub) на п-ове Юкатан (Мексика). Его диаметр около 180 км.; он образовался 65 млн. лет от падения астероида размером около 10 км. (энергия взрыва составили 5×1023 Дж, или 1014 тонн ТНТ), но следы этого происшествия, стоившего жизни динозаврам, уже практически исчезли.

Значительно лучше и дольше сохраняются метеоритные кратеры на Луне, Меркурии, Марсе и других планетах и спутниках с разреженной атмосферой или вообще без нее. Как показывают расчеты, в течение первых 100 млн. лет после своего образования Земля вычерпала практически все твердое вещество, двигавшееся в окрестности ее орбиты. Однако Земля и сейчас продолжает встречать на своем пути пыль, камни и даже глыбы километровых размеров. Откуда же они берутся? Мы ответим на этот вопрос, но сначала познакомимся с составом и структурой метеоритного вещества.


Состав и строение метеоритного вещества

Среди падающего на Землю метеоритного вещества по количеству падений примерно 92% составляют каменные метеориты, 6% железные и 2% железо-каменные (а по общей массе, соответственно, 85, 10 и 5%).

Атмосфера служит первым «фильтром», сквозь который должно пройти метеоритное вещество. Чем более оно тугоплавкое и прочное, тем больше у него шансов попасть на земную поверхность. Еще одним фильтром можно считать селекцию метеоритов при их находках. Чем сильнее метеорит выделяется на фоне земной поверхности, тем легче его найти. Тридцать лет назад японские ученые обнаружили, что лучшим местом для поиска метеоритов является Антарктида. Во-первых, метеорит легко обнаружить на фоне белого льда. Во-вторых, во льдах они лучше сохраняются. Упавшие в других местах Земли метеориты подвергаются действию атмосферного выветривания, водной эрозии и прочих разрушающих факторов; поэтому они либо разлагаются, либо оказываются погребенными.

Основными компонентами метеоритного вещества, достигающего поверхности Земли, являются железо-магнезиальные силикаты и никелистое железо. Иногда бывают обильны и сульфиды железа (троилит и др.). Распространенные минералы, входящие в силикаты метеоритного вещества, — это оливины (Fe, Mg)2SiО4 (от фаялита Fe2SiО4 до форстерита Mg2SiО4) и пироксены (Fe, Mg)SiО3 (от ферросилита FeSiО3 до энстатита MgSiO3) разного состава. Они присутствуют в силикатах либо в виде мелких кристаллов или стекла, либо как смесь с разными пропорциями. На сегодняшний день в метеоритном веществе обнаружено около 300 разных минералов. И хотя их количество в процессе исследований новых метеоритов постепенно увеличивается, но все равно более чем на порядок уступает числу известных земных минералов.


Хондриты

Наиболее многочисленные каменные метеориты делят на две группы: хондриты и ахондриты. Хондриты названы так из-за наличия необычных светлых образований сферической или эллиптической формы — хондр, включенных в более темное вещество — матрицу. Хондры можно видеть на поверхности разлома метеорита, но лучше всего они заметны на полированной поверхности его распила. Размер хондр бывает от микроскопических до сантиметровых. Иногда они занимают до 50% объема метеорита. Хондры и матрица практически не различаются по составу и состоят в основном из мелкокристаллических железо-магнезиальных силикатов и стекол. Но структура хондр в основном кристаллическая. На этом основании некоторые специалисты считают, что хондры кристаллизовались из расплава. Содержание никелистого железа в хондритах не превышает 30%, и присутствует оно в виде мелких частиц неправильной или сферической формы. В целом вещество хондритов сравнительно плотное (2,0—3,7 г/см3), но хрупкое. Достаточно небольшого усилия для того, чтобы раскрошить в руках хондритовый метеорит. Удивительно, что хондры до сих пор обнаружены только в метеоритах. Их происхождение пока остается загадкой, поскольку неизвестны механизмы их возникновения.

Другой важной особенностью хондритов является их предельно простой элементный состав. Если не учитывать самые летучие элементы (Н, Не, О и некоторые другие), то получается, что состав хондритов очень близок к элементному составу Солнца. Причем такая близость прослеживается не только по основным элементам, но и по примесным, также служащим важными индикаторами. Примесные элементы делят на три группы: литофильные (Se, Sr, Rb, Ва, Се, Cs, Th, U и др.), халькофильные (Сu, Zn, Sn, Pb, Ag, Hg, Cd, In и др.) и сидерофильные (Ga, Ge, Ru, Pt, Pd, Os, Ir, Rh и др.); они демонстрируют сродство с минералами, богатыми кислородом, серой и железом соответственно. В частности, горные породы Земли, прошедшие магматическую дифференциацию, содержат в основном литофильные примесные элементы. Халькофильные элементы встречаются на земной поверхности только в ограниченных областях рудных месторождений, а сидерофильные практически отсутствуют. Оказалось, что в хондритовых метеоритах примесные элементы разных групп присутствуют в тех же пропорциях (с незначительными вариациями), что и на Солнце. Это означает, что хондриты образовались из вещества солнечного состава и не проходили дифференциацию. В то же время, очевидно, что они эпизодически подвергались нагреванию, хотя и не очень сильному, поэтому в них произошли некоторые структурные и минералогические изменения, называемые тепловым метаморфизмом.

Хондриты четко делятся на три больших класса по форме содержания железа, точнее по степени его окисленности. Хондритам этих классов дали следующие названия и обозначения: энстатитовые (Е), обыкновенные (О) и углистые (С). В том же порядке в них увеличивается содержание окисленного (двух- и трехвалентного) железа. Все хондриты поделены на шесть петрологических типов, в которых постепенно усиливаются структурные и минералогические проявления теплового метаморфизма (от 1-го к 6-му типу).

Углистые хондриты. Углистые хондриты (обозначаемые буквой «С», от англ. carbonaceous, углистый) — самые темные, чем и оправдывают свое название. Они содержат много железа, но оно почти целиком находится в связанном состоянии в силикатах. Темную окраску углистым хондритам в основном придает минерал магнетит (Fе3O4), а также небольшие количества графита, сажи и органических соединений. Эти метеориты содержат также значительную долю водосодержащих минералов или гидросиликатов (серпентин, хлорит, монтмориллонит и ряд других).

Дж. Вассон предложил в 1970-х гг. разделить углистые хондриты на четыре группы (CI, СМ, СО и CV) на основании постепенного изменения их свойств. В каждой группе есть типичный, эталонный метеорит, первая буква имени которого добавляется к индексу «С» при обозначении группы. Типичными представителями в упомянутых группах являются метеориты Ivuna, Мигеи (найден на Украине, в Николаевской обл.), Ornans и Vigarano. Несколько раньше, в 1956 г., Г. Виик предложил деление углистых хондритов на три группы (CI, СII и CIII), упоминания о которых можно иногда встретить в литературе. Группы Вассона CI и СМ полностью соответствуют группам CI и СII Виика, а группы СО и CV можно рассматривать как составляющие группы CIII.

В CI-хондритах гидратированные силикаты занимают большую часть объема. Их рентгеновские исследования показали, что преобладающим силикатом является септехлорит (общая формула септехлоритов Y6(Z4О10)(OH)8, где Y = Fe2+, Mg; Z=Si, Al, Fe3+). Причем, все гидросиликаты находятся в аморфной форме, т.е. в форме стекла. Дегидратированных силикатов (пироксенов, оливинов и др., которые появляются при температурах более 100°С) здесь вообще нет. CI-метеориты представляют собой исключение среди хондритов, поскольку их вещество вообще не содержит хондр, а состоит как бы из одной матрицы. Это подтверждает идею о кристаллизации хондр из расплавленного вещества, поскольку исследования показывают, что вещество CI-хондритов не подвергалось плавлению. Оно считается наиболее неизмененным, по сути первичным веществом Солнечной системы, сохранившимся с момента конденсации протопланетного облака. Именно этим объясняется высокий интерес ученых к CI-метеоритам.

В СМ-хондритах содержится лишь 10—15% связанной воды (в составе гидросиликатов), а в виде хондр присутствует 10—30% пироксена и оливина.

В СО- и СV-хондритах содержится всего 1% воды в связанном состоянии и преобладают пироксены, оливины и другие дегидратированные силикаты. В небольших количествах в них имеется и никелистое железо. Присутствие гидросиликатов заметно снижает плотность углистых хондритов: от 3,2 г/см3 в CV до 2,2 г/см3 в СI-метеоритах.

Обыкновенные хондриты. Обыкновенные хондриты названы так потому, что они встречаются наиболее часто в метеоритных коллекциях. Они включают в себя три химические группы: Н, L и LL (Н — от англ. high, высокий; L — от low, низкий). Метеориты этих групп похожи по ряду свойств, но отличаются по общему содержанию железа и сидерофильных элементов (Н >L>LL) и по отношению окисленного железа к металлическому (LL>L>Н). Хондриты группы Н охватывают петрологические типы от 3 до 6, а хондриты групп L и LL относятся к петрологическим типам 3—7.

Структурные и минералогические особенности обыкновенных хондритов свидетельствуют, что эти метеориты испытали тепловой метаморфизм при температурах примерно от 400°С (для низкого петрологического типа 3) до более 950°С (для типа 7) и при ударных давлениях до 1000 атм. (нарастающих при увеличении температуры). По сравнению с более «правильными» хондрами углистых хондритов хондры обыкновенных чаще имеют неправильную форму и заполнены обломочным материалом. Общее содержание железа в обыкновенных хондритах по группам меняется в следующих пределах: 18—22% (LL), 19—24% (L), 25—30% (Н). Количество металлического железа также увеличивается от группы LL к L и далее — к Н.

Энстатитовые хондриты. В энстатитовых (Е) хондритах железо находится в основном в металлической фазе, т.е. в свободном состоянии (при нулевой валентности). В то же время в их силикатных соединениях железа содержится очень мало. Практически весь пироксен в них представлен в виде энстатита (откуда и название данного класса). Структурные и минералогические особенности энстатитовых хондритов показывают, что они испытывали тепловой метаморфизм при максимальных (для хондритов) температурах, примерно в диапазоне от 600°С до 1000°С. Как следствие, Е-хондриты по сравнению с другими хондритами являются наиболее восстановленными и содержат наименьшее количество летучих соединений.

В этой группе выделяются три петрологических типа (Е4, Е5 и Е6), в которых прослеживается нарастание признаков теплового метаморфизма. Было также обнаружено, что в Е-хондритах имеют место широкие вариации содержаний железа и серы в зависимости от петрологического типа. На этом основании некоторые ученые делят их еще на типы I (куда входят Е4 и Е5) и II (Е6). Хондры в энстатитовых хондритах погружены в темную мелкодисперсную матрицу, имеют неправильные очертания и заполнены обломочным материалом.


Дифференцированные метеориты

Ахондриты. Менее многочисленная группа каменных метеоритов (около 10%) — ахондриты. В них нет хондр и они химически не похожи на хондриты, поскольку имеют несолнечный состав. Ахондриты составляют ряд от почти мономинеральных оливиновых или пироксеновых пород до объектов, сходных по структуре и химическому составу с земными и лунными базальтами. Они бедны железом и сидерофильными примесными элементами, у них разное содержание Fe, Mg и Са. В основном эти метеориты похожи на изверженные породы Земли и Луны, прошедшие магматическую дифференциацию.

Предполагается, что ахондриты образовались из исходного вещества хондритового состава в одном процессе дифференциации, который дал и железные метеориты. Ахондриты делят на группы по минеральному составу. Название каждой из групп соответствует либо названию основного минерала, либо названию метеорита, который можно считать типичным представителем данной группы: обриты (97% по весу составляет ортоэн-статит), уреилиты (85% оливина), диогениты (95% ортопироксена), говардиты (40—80% ортопироксена) и эвкриты (40—80% пижонита).

Железные и железо-каменные метеориты. Кроме ахондритов, дифференцированными метеоритами являются еще железные и железо-каменные метеориты. Они вызывают значительный интерес не только потому, что падают на Землю реже хондритов, но и потому, что представляют иной этап эволюции вещества Солнечной системы. В то время как в хондритах записана история аккумуляции вещества в допланетном облаке и при образовании планетезималей, дифференцированные метеориты запечатлели последовательность процессов, протекавших в родительских телах метеоритов, и их внутреннюю структуру. Железные метеориты раньше считали частью разрушенного ядра одного большого родительского тела размером с Луну или больше.

Но теперь известно, что они представляют множество химических групп, которые в большинстве случаев свидетельствуют в пользу кристаллизации вещества этих метеоритов в ядрах разных родительских тел астероидных размеров (порядка нескольких сотен километров). Другие же из этих метеоритов, возможно, представляют собой образцы отдельных сгустков металла, который был рассеян в родительских телах. Есть и такие, которые несут доказательства неполного разделения металла и силикатов, как железо-каменные метеориты.

Железо-каменные метеориты делят на два типа, различающиеся химическими и структурными свойствами: палласиты и мезосидериты. Палласитами называют те метеориты, силикаты которых состоят из кристаллов магнезиального оливина или их обломков, заключенных в сплошной матрице из никелистого железа. Мезосидеритами называют железо-каменные метеориты, силикаты которых представляют собой в основном перекристаллизованные смеси из разных силикатов, входящие также в ячейки металла.

Железные метеориты почти целиком состоят из никелистого железа и содержат небольшие количества минералов в виде включений. Никелистое железо (FeNi) — это твердый раствор никеля в железе. При высоком содержании никеля (30—50%) никелистое железо находится в основном в форме тэнита (γ-фаза) — минерала с гранецентрированной ячейкой кристаллической решетки, при низком (6—7%) содержании никеля в метеорите никелистое железо состоит почти из камасита (α-фаза) — минерала с объемно-центрированной ячейкой решетки.

Большинство железных метеоритов имеет удивительную структуру: они состоят из четырех систем параллельных камаситовых пластин (по-разному ориентированных) с прослойками, состоящими из тэнита, на фоне из тонкозернистой смеси камасита и тэнита. Толщина пластин камасита может быть разной — от долей миллиметра до сантиметра, но для каждого метеорита характерна своя толщина пластин.

Если полированную поверхность распила железного метеорита протравить раствором кислоты, то проявится его характерная внутренняя структура в виде видманштеттеновых фигур. Названы они в честь А. де Видманштеттена, наблюдавшего их первым в 1808 г. Такие фигуры обнаруживаются только в метеоритах и связаны с необычайно медленным (в течение миллионов лет) процессом остывания никелистого железа и фазовыми превращениями в его монокристаллах.


Рис. Железный метеорит с видманштеттеновой структурой.


До начала 1950-х гг. железные метеориты классифицировали исключительно по их структуре. Метеориты, имеющие видманштеттеновы фигуры, стали называть октаэдритами, поскольку составляющие эти фигуры камаситовые пластины располагаются в плоскостях, образующих октаэдр.

В зависимости от толщины L камаситовых пластинок (которая связана с общим содержанием никеля) октаэдриты делят на следующие структурные подгруппы: весьма грубоструктурные (L>3,3 мм.), грубоструктурные (1,3<L<3,3), среднеструктурные (0,5<L<1,3), тонкоструктурные (0,2<L<0,5), весьма тонкоструктурные (L<0,2), плесситовые (L<0,2).

У некоторых железных метеоритов, имеющих низкое содержание никеля (6—8%), видманштеттеновы фигуры не проявляются. Такие метеориты состоят как бы из одного монокристалла камасита. Называют их гексаэдритами, так как они обладают в основном кубической кристаллической решеткой. Иногда встречаются метеориты со структурой промежуточного типа, которые называются гексаоктаэдритами. Существуют также железные метеориты, вообще не имеющие упорядоченной структуры — атакситы (в переводе «лишенные порядка»), в которых содержание никеля может меняться в широких пределах: от 6 до 60%.

Накопление данных о содержании сидерофильных элементов в железных метеоритах позволило создать также их химическую классификацию. Если в n-мерном пространстве, осями которого служат содержания разных сидерофильных элементов (Ga, Ge, Ir, Os, Pd и др.), точками отметить положения разных железных метеоритов, то сгущения этих точек (кластеры) будут соответствовать таким химическим группам. Среди почти 500 известных сейчас железных метеоритов по содержанию Ni, Ga, Ge и Ir четко выделяются 16 химических групп (IA, IB, IC, IIА, IIВ, IIС, IID, IIЕ, IIIA, IIIB, IIIC, IIID, IIIE, IIIF, IVA, IVB). Поскольку 73 метеорита в такой классификации оказались аномальными (их выделяют в подгруппу неклассифицированных), то существует мнение, что есть и другие химические группы — возможно их более 50, но они пока недостаточно представлены в коллекциях.

Химические и структурные группы железных метеоритов связаны неоднозначно. Но метеориты из одной химической группы, как правило, имеют похожую структуру и некоторую характерную толщину камаситовых пластинок. Вероятно, метеориты каждой химической группы формировались в близких температурных условиях, быть может, даже в одном родительском теле.


Методы изучения метеоритов и их результаты

При нагревании чистого кристаллического железа температура фазового превращения камасит (α-фаза)→тэнит (γ-фаза) составляет 910°С. При типичных средних концентрациях никеля в железных метеоритах (7—14%) превращение γ→α начинается при более низких температурах (650—750°С). При падении температуры в тэните появляется камасит в виде тонких листков, или пластинок, ориентированных вдоль граней октаэдра — четырех плоскостей с эквивалентным расположением атомов. Поэтому железные метеориты в процессе (γ→α)-превращения приобретают октаэдритовую структуру, отражающую направления преимущественного роста пластин камасита.

В зависимости от направления распила метеорита по отношению к октаэдритовой ориентировке его пластин видманштеттеновы фигуры имеют разный рисунок. Сами же пластины в сечении выглядят как балки. Чем меньше содержание никеля в исходном тэните, тем выше температура, при которой начинается фазовое превращение и тем дольше длится рост камаситовых пластин, и тем более толстыми они оказываются к концу роста. Этим объясняется, почему метеориты с высоким содержанием никеля являются тонкоструктурными, а метеориты с низким его содержанием — грубоструктурными, вплоть до образования сплошного монокристалла камасита толщиной до 50 см, как у гексаэдритов.

В конце 1950-х гг. в железных метеоритах советские исследователи обнаружили методом электронного микрозондирования специфический М-образный профиль распределения никеля в сечении тэнитовых слоев, находящихся между камаситовыми. В 1960-х гг. Дж. Голстейн, В. Бухвальд и др. показали, что этот профиль образуется также при (γ→α)-превращениях в никелистом железе при его остывании. Он возникает из-за разной скорости диффузии никеля в камасите и тэните (в камасите она в 100 раз больше) и более низкой растворимости никеля в камасите, чем в тэните. Это открытие дало астрономам новый метод реконструкции истории метеоритов.

Рассчитывая профили никеля в тэните при разных его начальных содержаниях и сравнивая их с измеренными в метеоритах, удается оценить скорости остывания вещества железных метеоритов в недрах родительских тел, а следовательно, и размеры этих тел. Дж. Вуд предложил еще один метод оценки скорости остывания — по ширине тэнитовой пластины и концентрации никеля в ее центре по отношению к среднему содержанию никеля в метеорите. Оба эти метода дали совпадающие результаты. Оказалось, что вещество октаэдритов в интервале температур 600—400°С остывало со скоростью 1—10°С за миллион лет, а иногда и медленнее. Аналогичный результат получился и для железо-каменных метеоритов, металл которых также имеет октаэдритовую структуру.

Более того, изучение металлических частиц, присутствующих в метеоритах других классов, показало, что в них также есть тэнит и камасит. Дж. Вуд применил свою методику, разработанную для железных метеоритов, к хондритам и оценил скорость их остывания. Неожиданно оказалось, что большинство хондритов остывало примерно с той же скоростью, что и железные метеориты: около 10°С за миллион лет в интервале температур 550—450°С. Такое длительное остывание вещества самых разных метеоритов означает, что после разогрева оно находилось глубоко в недрах родительских тел от десятков до сотен миллионов лет.

Расчеты показали, что для обеспечения столь медленного остывания толщина защитного слоя с низкой теплопроводностью (как у каменистого вещества с хондритовым составом) должна составлять 70—200 км. Значит, минимальный диаметр первичных родительских тел метеоритов разных классов был около 140—400 км., а это в точности соответствует размерам крупных астероидов.

Итак, родительскими телами большинства метеоритов были крупные астероиды, причем у некоторых недра были расплавлены, что требовало температуры не менее 1200—1400°С (для вещества хондритового состава). Источником нагрева астероидов могли быть либо радиоактивные элементы (например, изотоп 26Аl, который с периодом полураспада 760 тыс. лет превращается в 26Mg, выделяя много энергии), либо индуктивные токи, которые мог возбуждать в астероидах мощный звездный ветер молодого Солнца. Но пока это гипотезы, не получившие надежного подтверждения. К тому же, некоторое количество метеоритов из научных коллекций не имеют признаков пребывания в недрах родительских тел.

Эпоху вторичного разогрева некоторых метеоритов можно определить с помощью гелий-аргонового метода. Он основан на измерении содержания Не и Аr, возникающих в веществе при радиоактивном распаде, соответственно, Th и 40К. При низкой температуре эти газы удерживаются веществом, но при высокой начинают из него просачиваться (диффундировать). Причем диффузия гелия начинается при температуре выше 200°С, а аргона — выше 300°С. Определив соотношение радиоактивных изотопов и благородных газов, можно определить время, прошедшее от эпохи последнего разогрева образца до температур, выше указанных, до наших дней.

Можно оценить и период самостоятельного существования метеороида, давшего конкретный метеорит, т.е. интервал времени от дробления родительского тела до падения метеорита на Землю. Этот космический возраст метеорита определяют по плотности треков, оставленных в его веществе космическими частицами солнечного или галактического происхождения. Они не проникают глубоко, а задерживаются в слое толщиной около 1 м. Если от родительского тела откалывается обломок и некоторое время самостоятельно живет в межпланетном пространстве, то его космический возраст определяется возрастом наиболее «свежей» его стороны. Оказалось, что космические возрасты различаются у метеоритов разных классов. В частности, для энстатитовых хондритов удалось измерить два достаточно молодых возраста: 7 и 20 млн. лет. А некоторые железо-никелевые по «космическим» часам намного старше: им около 700 млн. лет. Тем не менее, нельзя исключить, что наиболее насыщенная треками космических частиц поверхность хондритов частично разрушается при прохождении земной атмосферы, что может привести к ложной оценке разницы в их возрасте по сравнению с более прочными железными метеоритами.

Абсолютный возраст метеоритов определяют рубидиевостронциевым методом: при распаде долгоживущего изотопа 87Rb образуется стабильный 87Sr; измеряя его содержание по отношению к стабильному изотопу 86Sr, находят возраст метеорита. Он оказывается в пределах 4,5—4,7 млрд. лет, как и у земных пород.


Сложная история метеоритного вещества

Существует еще один важный аргумент в пользу астероидного происхождения большинства метеоритов. Вещество метеоритов во многих случаях представляет сложный конгломерат материалов, которые могли возникнуть в разных, иногда даже несовместимых условиях. Часто примитивные по составу углистые хондриты содержат включения материалов, свойственных обыкновенным, энстатитовым или даже железным метеоритам, и наоборот. Удивительный образец такого вещества представляет метеорит Кайдун массой 850 г., упавший 3 декабря 1980 г. на территорию советской военной базы в Йемене. В нем обнаружены частицы трех типов углистых хондритов, обыкновенного хондрита, двух энстатитовых хондритов, а также водно-измененные частицы металлического железа. Вероятно, это фрагмент тела, имевшего весьма сложную историю.

Такую структуру метеоритов не удавалось объяснить до 1970-х гг. К счастью, при изучении доставленных на Землю образцов лунного грунта (1969—1972 гг.) оказалось, что в большинстве случаев он представляет собой смесь вещества из разных областей лунной поверхности. Лунный грунт многократно перемешан ударами бомбардирующих Луну метеоритов. То же должно происходить и с веществом на поверхности астероидов. Космические снимки астероидов Гаспра, Ида, Матильда и Эрос подтверждают, что их форма неправильная, а поверхность покрыта множеством кратеров. Очевидно, это результат соударений астероидов между собой и с более мелкими телами. По этой причине поверхность астероидов, как и лунная, покрыта слоем раздробленного вещества — реголитом. В настоящую эпоху средняя относительная скорость астероидов в главном поясе, определяемая характером их орбит, составляет около 5 км/с. При такой скорости каждый килограмм вещества несет кинетическую энергию около 107 Дж. В момент столкновения большая часть этой энергии переходит в тепло, что приводит к взрыву, плавлению и испарению значительной части вещества соударяющихся тел. При такой скорости удара давление взрыва достигает 1,5 Мбар. Значительная часть энергии переходит в механическую энергию ударных волн и идет на дробление, разбрасывание или, наоборот, уплотнение (в зависимости от направления и расстояния от места взрыва) окружающего вещества астероида.

В истории Солнечной системы был период, когда сравнительно спокойное, с относительными скоростями менее 1 км/с, движение астероидов главного пояса подверглось сильным возмущениям со стороны растущего Юпитера, а сами эти тела, имевшие разный состав на разных гелиоцентрических расстояниях, были сильно «перемешаны». На соседних или пересекающихся орбитах оказались астероиды разных типов, имеющие существенно разный состав вещества. В процессе их столкновений и дроблений в поверхностных слоях многих астероидов накапливались материалы, возникшие в разных физико-химических условиях. Родительское тело метеорита Кайдун, например, могло двигаться по сильно вытянутой орбите, сталкиваясь на своем пути с телами разного состава и как бы «собирая» образцы их вещества. Не исключено, что этим родительским телом был не астероид с аномальной орбитой, а ядро кометы, исчерпавшее запас летучих соединений.

Расчет показывает, что при образовании крупного кратера на астероиде размером около 200 км. примерно 85% выброшенного взрывом вещества не в состоянии преодолеть притяжение астероида (хотя скорость убегания с его поверхности составляет всего 50 м/с). Рождение ударного кратера на астероиде сопровождается образованием кратковременной «атмосферы» из камней и пыли, которая через некоторое время оседает и покрывает всю его поверхность. Толщина этого слоя зависит от силы удара и, соответственно, объема выброшенного вещества. Трещины, возникающие при все новых падениях тел на астероид, могут его постепенно фрагментировать (если он достаточно крупный) и последующие падения тел уже будут происходить в раздробленный материал. Чем сильнее астероид раздроблен и разрыхлен, тем быстрее в нем затухают колебания. При этом энергия падающего тела поглощается в меньшем объеме, сопровождаясь более мощными эффектами. Скорее всего при таком ударном «уплотнении» разнородного вещества на поверхностях астероидов в течение десятков и сотен миллионов лет формировались некоторые образцы, упавшие в виде метеоритов на Землю.


Обломки других планет?

То, о чем рассказывается в этом параграфе, казалось бы, противоречит только что сказанному о «мягкости» метеоритных ударов. Выясняется, космическая бомбардировка может не только «нежно перемешивать» грунт планет и астероидов, но и выбрасывать его в космос, перенося с одной планеты на другую. В этих вопросах еще мало ясности, но результаты неожиданных находок заставляют относиться к ним очень серьезно.

Чтобы преодолеть тяготение Земли (даже без учета сопротивления атмосферы), необходима скорость более 11,2 км/с, для Марса это 5 км/с, а для Луны 2,4 км/с. Только при такой или большей стартовой скорости осколки планет могут попадать в космическое пространство и, блуждая там, захватываться другими планетами. Еще недавно такой процесс казался невозможным. Но, похоже, астрономы недооценили фантазию природы. Сейчас многие специалисты уверены, что на Земле найдены осколки Луны и Марса. Возможно, удары крупных метеоритов действительно могут «запускать» частицы планет в космос.


Лунные и марсианские метеориты

При сравнении доставленных на Землю образцов Луны с группой похожих на них метеоритов оказалось, что это практически одно и то же вещество. Сегодня уже нет сомнений, что задолго до космических полетов в метеоритных коллекциях «пылились» образцы лунного грунта. Правда, чтобы доказать это, нужно было слетать на Луну.

Кроме того, среди метеоритов была выделена группа, которая резко отличается по характеристикам от других, но ее члены схожи между собой. Эту группу назвали SNC, по первым буквам имен их типичных представителей — метеоритов Shergotty, Nakhla и Chassigny. Сейчас известно около 30 таких метеоритов и считается, что они попали на Землю с Марса. На это указывает химический и, что очень важно, изотопный состав микроскопических пузырьков газа в одном из метеоритов этой группы, ЕЕТА 79001, совпадающий с составом атмосферы Марса, измеренным зондами «Викинг» в 1976 г. (см. подробнее в гл. «Марс».)


Окаменелости древней марсианской жизни?

Один из «марсианских» метеоритов, ALH 84001 массой 1,9 кг., найденный в Антарктиде в районе Алан Хилс и отнесенный к группе SNC, вызвал настоящую сенсацию. Изучение вещества ALH 84001 открыло его интереснейшую историю. Вещество этого метеорита возникло из жидкой магмы 4,5 млрд. лет назад, когда Марс еще только формировался. Затем, 3,9 млрд. лет назад, вещество подверглось сильному удару, оставившему многочисленные трещины. Еще более мощный удар 16 млн. лет назад выбросил его с поверхности Марса в космос, где оно и находилось до встречи с Землей. И, наконец, 13 тыс. лет назад метеорит упал на льды Антарктиды, где пролежал до наших дней.

Но самое интересное не в этом: после 1,5-летних исследований группа американских ученых в августе 1996 г. сообщила, что в этом метеорите, возможно, присутствуют древние окаменелости внеземного биологического происхождения. Вблизи поверхности метеорита было обнаружено множество овальных образований, похожих на окаменелые колонии древнейших земных бактерий. Но их размеры (10—100 нм.) в 100—1000 раз меньше, чем у типичных земных бактерий.

В течение нескольких лет этот метеорит скрупулезно изучали специалисты разных наук. Появилось множество аргументов как за, так и против «биологической» гипотезы (см. подробнее в гл. «Марс»). Эти исследования заставили ученых по-новому взглянуть на идею панспермии (распространения во Вселенной микроскопических зародышей жизни), которая многие годы подвергалась критике. Может быть метеориты и есть те самые переносчики жизни, которые доставили ее откуда-то на Землю?


О нерешенных проблемах

До сих пор продолжаются дискуссии о соответствии метеоритов разных классов астероидам разного типа. В частности о том, почему оптические характеристики наиболее многочисленных астероидов S-типа не совпадают с теми же характеристиками наиболее часто падающих на Землю хондритов.

Но самое главное, до сих пор уверенно не решена небесномеханическая проблема транспортировки вещества из пояса астероидов к орбите Земли. Считается, что наиболее вероятными источниками метеоритов служат астероиды, сближающиеся с Землей — атонцы, аполлонцы и амурцы (см. разд. «Астероиды»). Однако все они мелкие: крупнейшие из них Ганимед и Эрос имеют средние диаметры 38,5 и 22 км. Вообще, популяция сближающихся с Землей астероидов еще изучена недостаточно, чтобы считать именно их основным источником метеоритного вещества.

Прямое изучение планет и астероидов космическими зондами, начавшееся в наши дни, позволит связать их свойства с детально изученными в лаборатории свойствами метеоритов. Это сделает метеориты еще более ценным свидетелем истории нашей планетной системы, а быть может, и других миров.

Полезно знать:

Комитет по метеоритам находится в ГЕОХИ РАН по адресу: 117975 Москва ул.Косыгина, 19; тел. (495)-939-7070 или 939-0205; электронный адрес: nazarov@geokhi.ru Председатель Комитета — проф. Ю.А. Шуколюков (тел. 137-4370)

Посещение Музея внеземного вещества осуществляется по предварительным заявкам (хранитель Музея — А.Я. Скрипник, тел. 939-0205).

Диагностика метеоритов проводится лабораторией космохимии и метеоритики ГЕОХИ РАН, зав. лаб. М.А. Назаров, тел. 939-7070.

Сообщения о наблюдении метеоров и находке метеоритов можно направлять и в международную организацию International Meteor Organization (IMO) Fireball Data Centre (Saarbrucker Str. 8, D-40476 Duesseldorf, Germany; fidac@imo.net).

Дополнительную информацию можно найти на сайте http://www.imo.net.


Литература

Гетман В.С. Внуки Солнца. М.: Наука, 1989.

Иванов А.В. Метеорит Kaidun — образец с Фобоса? // Астрономический Вестник. 2004. Т.38, №2. С. 113-125.

Марочник Л.С. Свидание с кометой Галлея. М.: Наука, 1985.

Муртазов А.К. Экология околоземного космического пространства. М.: Физматлит, 2004.

Назаров М.А. Метеоритная коллекция Российской академии наук // Природа. 1999. № 12, С. 49-58.

Орлов С.В. О природе комет. М.: Изд-во АН СССР, 1960.

Рожанский И.Д. Анаксагор. М.: Наука, 1972.

Симоненко А.Н. Астероиды. М.: Наука, 1985.

Симоненко А.Н. Метеориты — осколки астероидов. М.: Наука, 1979.

Сурдин В.Г. Метеорит с Фобоса? // Природа. 2005. №2. С. 64-65.

Сурдин В.Г. Неуловимая планета. Фрязино: Век-2, 2006.

Тирский Г.А. Взаимодействие космических тел с атмосферами Земли и планет // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6, №5. С. 76-82.

Угроза с неба: рок или случайность? Под ред. А.А. Боярчука. М.: Космосинформ, 1999.

Уральская В.С. Объекты внешней области Солнечной системы. Астрономический календарь на 2000 г. М.: Космосинформ, 1999. С.186.

Флейшер М. Словарь минеральных видов. М.: Мир, 1990.

Чурюмов К.И. Кометы и их наблюдение. М.: Наука, 1980.

Шульман Л.М. Ядра комет. М.: Наука, 1987.

Brugge N. SNC-Meteorites: Finds, which are identified as stones from the Mars.

(Детальные данные о «марсианских» метеоритах.)

http:hometown.aol.de/SLVehicles4/SNC/SNC.htm


Данные об авторах

Бережной Алексей Андреевич, кандидат физико-математических наук, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, МГУ.

Бусарев Владимир Васильевич, кандидат физико-математических наук, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, МГУ.

Ксанфомалити Леонид Васильевич, доктор физико-математических наук, Институт космических исследований РАН.

Сурдин Владимир Георгиевич, кандидат физико-математических наук, доцент, Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, МГУ.

Холшевников Константин Владиславович, доктор физико-математических наук, профессор. Астрономический институт, Санкт-Петербургский государственный университет.