К статье СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
В центре Солнечной системы расположено Солнце - типичная одиночная звезда радиусом около 700 000 км и массой 2?1030 кг. Температура видимой поверхности Солнца - фотосферы - ок. 5800 К. Плотность газа в фотосфере в тысячи раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли. Внутри Солнца температура, плотность и давление увеличиваются с глубиной, достигая в центре соответственно 16 млн. К, 160 г/см3 и 3,5?1011 бар (давление воздуха в комнате ок. 1 бар). Под влиянием высокой температуры в ядре Солнца водород превращается в гелий с выделением большого количества тепла; это удерживает Солнце от сжатия под действием собственной силой тяжести. Выделяющаяся в ядре энергия покидает Солнце в основном в виде излучения фотосферы с мощностью 3,86?1026 Вт. С такой интенсивностью Солнце излучает уже 4,6 млрд. лет, переработав за это время 4% своего водорода в гелий; при этом 0,03% массы Солнца превратилось в энергию. Модели эволюции звезд указывают, что Солнце сейчас находится в середине своей жизни (см. также ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ).
Чтобы определить содержание различных химических элементов на Солнце, астрономы изучают линии поглощения и излучения в спектре солнечного света. Линии поглощения - это темные промежутки в спектре, указывающие на отсутствие в нем фотонов данной частоты, поглощенных определенным химическим элементом. Линии излучения, или эмиссионные линии, - это более яркие участки спектра, указывающие на избыток фотонов, излучаемых каким-либо химическим элементом. Частота (длина волны) спектральной линии указывает, какой атом или молекула ответственны за ее возникновение; контраст линии свидетельствует о количестве излучающего или поглощающего свет вещества; ширина линии позволяет судить о его температуре и давлении.
Изучение тонкой (500 км) фотосферы Солнца позволяет оценить химический состав его недр, поскольку наружные области Солнца хорошо перемешаны конвекцией, спектры Солнца имеют высокое качество, а ответственные за них физические процессы вполне понятны. Однако нужно отметить, что до сих пор идентифицирована лишь половина линий в солнечном спектре.
В составе Солнца преобладает водород. На втором месте - гелий, название которого ("гелиос" по-гречески "Солнце") напоминает, что он был открыт спектроскопически на Солнце раньше (1899), чем на Земле. Поскольку гелий - инертный газ, он крайне неохотно вступает в реакции с другими атомами и также неохотно проявляет себя в оптическом спектре Солнца - всего одной линией, хотя многие менее обильные элементы представлены в спектре Солнца многочисленными линиями. Вот состав "солнечного" вещества: на 1 млн. атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, а также чуть-чуть всех прочих элементов. Таким образом, по массе Солнце примерно на 71% состоит из водорода и на 28% из гелия; на долю остальных элементов приходится чуть более 1%. С точки зрения планетологии примечательно, что некоторые объекты Солнечной системы имеют практически такой же состав, как Солнце (см. ниже раздел о метеоритах).
Подобно тому, как погодные явления изменяют внешний вид планетных атмосфер, вид солнечной поверхности тоже меняется с характерным временем от часов до десятилетий. Однако имеется важное различие между атмосферами планет и Солнца, которое состоит в том, что движение газов на Солнце контролирует его мощное магнитное поле. Солнечные пятна - это те области поверхности светила, где вертикальное магнитное поле настолько велико (200-3000 Гс), что препятствует горизонтальному движению газа и тем самым подавляет конвекцию. В результате температура в этой области опускается примерно на 1000 К, и возникает темная центральная часть пятна - "тень", окруженная более горячей переходной областью - "полутенью". Размер типичного солнечного пятна чуть больше диаметра Земли; существует такое пятно несколько недель. Количество пятен на Солнце то увеличивается, то уменьшается с продолжительностью цикла от 7 до 17 лет, в среднем 11,1 года. Обычно чем больше пятен появляется в цикле, тем короче сам цикл. Направление магнитной полярности пятен меняется на противоположное от цикла к циклу, поэтому истинный цикл пятнообразовательной активности Солнца составляет 22,2 года. В начале каждого цикла первые пятна появляются на высоких широтах, ок. 40?, и постепенно зона их рождения смещается к экватору до широты ок. 5?. См. также ЗВЕЗДЫ; СОЛНЦЕ .
Колебания активности Солнца почти не отражаются на полной мощности его излучения (если бы она изменилась всего на 1%, это привело бы к серьезным переменам климата на Земле). Было немало попыток найти связь между циклами солнечных пятен и климатом Земли. Самое замечательное в этом смысле событие - "минимум Маундера": с 1645 в течение 70 лет на Солнце почти не было пятен, и в это же время Земля пережила Малый ледниковый период. До сих пор не ясно, был ли этот удивительный факт простым совпадением или он указывает на причинную связь. См. также КЛИМАТ; МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ.
В Солнечной системе 5 огромных вращающихся водородо-гелиевых шаров: Солнце, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. В недрах этих гигантских небесных тел, недоступных для прямого исследования, сосредоточено почти всё вещество Солнечной системы. Земные недра также недоступны для нас, но, измеряя время распространения сейсмических волн (длинноволновых звуковых колебаний), возбуждаемых в теле планеты землетрясениями, сейсмологи составили детальную карту земных недр: узнали размеры и плотности ядра Земли и ее мантии, а также методом сейсмической томографии получили трехмерные изображения перемещающихся плит ее коры. Подобные методы можно применить и к Солнцу, поскольку на его поверхности существует волны с периодом ок. 5 мин, вызванные множеством сейсмических колебаний, распространяющихся в его недрах. Эти процессы изучает гелиосейсмология. В отличие от землетрясений, которые рождают короткие всплески волн, энергичная конвекция в недрах Солнца создает постоянный сейсмический шум. Гелиосейсмологи обнаружили, что под конвективной зоной, занимающей внешние 14% радиуса Солнца, вещество вращается синхронно с периодом 27 сут (о вращении солнечного ядра пока ничего не известно). Выше, в самой конвективной зоне вращение происходит синхронно только вдоль конусов равной широты и чем дальше от экватора, тем медленнее: экваториальные области вращаются с периодом 25 сут (опережают среднее вращение Солнца), а полярные - с периодом 36 сут (отстают от среднего вращения). Недавние попытки применить методы сейсмологии к газовым планетам-гигантам не принесли результатов, поскольку приборы пока не в состоянии зафиксировать возникающие колебания.
Над фотосферой Солнца располагается тонкий горячий слой атмосферы, который можно увидеть только в редкие моменты солнечных затмений. Это хромосфера толщиной в несколько тысяч километров, названная так за свой красный цвет, обязанный линии излучения водорода Ha. Температура почти удваивается от фотосферы до верхних слоев хромосферы, из которых по не совсем понятной причине покидающая Солнце энергия выделяется в виде тепла. Над хромосферой газ нагрет до 1 млн. К. Эта область, названная короной, простирается примерно на 1 радиус Солнца. Плотность газа в короне очень низка, но температура настолько велика, что корона является мощным источником рентгеновских лучей.
Иногда в атмосфере Солнца возникают гигантские образования - эруптивные протуберанцы. Они похожи на арки, вздымающиеся из фотосферы на высоту до половины солнечного радиуса. Наблюдения ясно указывают, что форма протуберанцев определяется силовыми линиями магнитного поля. Еще одно интересное и чрезвычайно активное явление - это солнечные вспышки, мощные выбросы энергии и частиц продолжительностью до двух часов. Порожденный такой солнечной вспышкой поток фотонов достигает Земли со скоростью света за 8 мин, а поток электронов и протонов - за несколько суток. Солнечные вспышки происходят в местах резкого изменения направления магнитного поля, вызванного движением вещества в солнечных пятнах. Максимум вспышечной активности Солнца обычно наступает за год до максимума пятнообразовательного цикла. Такая предсказуемость очень важна, ибо шквал заряженных частиц, рожденных мощной солнечной вспышкой, может повредить даже наземные средства связи и энергетические сети, не говоря уже о космонавтах и космической технике.
Из плазменной короны Солнца происходит постоянный отток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. О его существовании догадывались еще до начала космических полетов, поскольку заметно было, как что-то "сдувает" кометные хвосты. В солнечном ветре выделяют три составляющие: высокоскоростной поток (более 600 км/с), низкоскоростной поток и нестационарные потоки от солнечных вспышек. Рентгеновские изображения Солнца показали, что в короне регулярно образуются огромные "дыры" - области пониженной плотности. Эти корональные дыры служат главным источником высокоскоростного солнечного ветра. В районе орбиты Земли типичная скорость солнечного ветра около 500 км/с, а плотность - около 10 частиц (электронов и протонов) в 1 см3. Поток солнечного ветра взаимодействует с магнитосферами планет и хвостами комет, заметно влияя на их форму и происходящие в них процессы (см. также ГЕОМАГНИТИЗМ; КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ; КОМЕТА).
Под напором солнечного ветра в межзвездной среде вокруг Солнца образовалась гигантская каверна - гелиосфера. На ее границе - гелиопаузе - должна существовать ударная волна, в которой солнечный ветер и межзвездный газ сталкиваются и уплотняются, оказывая друг на друга равное давление. Четыре космических зонда приближаются сейчас к гелиопаузе: "Пионер-10 и -11", "Вояджер-1 и -2". Ни один из них не встретил ее на расстоянии 75 а.е. от Солнца. Это весьма драматическая гонка со временем: "Пионер-10" прекратил работу в 1998, а остальные пытаются достичь гелиопаузы раньше, чем иссякнет запас энергии в их батареях. Судя по расчетам, "Вояджер-1" летит как раз в том направлении, откуда дует межзвездный ветер, и поэтому первым достигнет гелиопаузы.
ПЛАНЕТЫ: ОПИСАНИЕ
Меркурий. С Земли наблюдать Меркурий в телескоп сложно: он не удаляется от Солнца на угол более 28?. Его изучали при помощи радиолокации с Земли, а межпланетный зонд "Маринер-10" сфотографировал половину его поверхности. Вокруг Солнца Меркурий обращается за 88 земных суток по довольно вытянутой орбите с расстоянием от Солнца в перигелии 0,31 а.е. и в афелии 0,47 а.е. Вокруг оси он вращается с периодом 58,6 сут, в точности равным 2/3 орбитального периода, поэтому каждая точка его поверхности поворачивается к Солнцу лишь один раз за 2 меркурианских года, т.е. солнечные сутки там длятся 2 года!
Из больших планет меньше Меркурия лишь Плутон. Но по средней плотности Меркурий находится на втором месте после Земли. Вероятно, у него большое металлическое ядро, составляющее 75% радиуса планеты (у Земли оно занимает 50% радиуса). Поверхность Меркурия подобна лунной: темная, абсолютно сухая и покрытая кратерами. Средний коэффициент отражения света (альбедо) поверхности Меркурия около 10%, примерно как у Луны. Вероятно, его поверхность тоже покрыта реголитом - спекшимся раздробленным материалом. Крупнейшее ударное образование на Меркурии - бассейн Калорис размером 2000 км, напоминающий лунные моря. Однако в отличие от Луны на Меркурии есть своеобразные структуры - протянувшиеся на сотни километров уступы высотой в несколько километров. Возможно, они образовались в результате сжатия планеты при остывании ее большого металлического ядра или под действием мощных солнечных приливов. Температура поверхности планеты днем около 700 К, а ночью около 100 К. По данным радиолокации, на дне полярных кратеров в условиях вечной темноты и холода, возможно, лежит лед.
У Меркурия практически нет атмосферы - лишь крайне разреженная гелиевая оболочка с плотностью земной атмосферы на высоте 200 км. Вероятно, гелий образуется при распаде радиоактивных элементов в недрах планеты. У Меркурия есть слабое магнитное поле и нет спутников.
Венера. Это вторая от Солнца и ближайшая к Земле планета - самая яркая "звезда" на нашем небе; порой она видна даже днем. Венера во многом похожа на Землю: ее размер и плотность лишь на 5% меньше, чем у Земли; вероятно, и недра Венеры похожи на земные. Поверхность Венеры всегда закрыта толстым слоем желтовато-белых облаков, но с помощью радаров она исследована довольно подробно. Вокруг оси Венера вращается в обратном направлении (по часовой стрелке, если смотреть с северного полюса) с периодом 243 земных суток. Ее орбитальный период 225 сут; поэтому венерианские сутки (от восхода до следующего восхода Солнца) длятся 116 земных суток. См. также РАДИОЛОКАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ .
Атмосфера Венеры состоит в основном из углекислого газа (CO2), а также небольшого количества азота (N2) и паров воды (H2O). В виде малых примесей обнаружены соляная кислота (HCl) и плавиковая кислота (HF). Давление у поверхности 90 бар (как в земных морях на глубине 900 м); температура около 750 К по всей поверхности и днем, и ночью. Причина столь высокой температуры у поверхности Венеры в том, что не совсем точно называют "парниковым эффектом": солнечные лучи сравнительно легко проходят сквозь облака ее атмосферы и нагревают поверхность планеты, но тепловое инфракрасное излучение самой поверхности выходит сквозь атмосферу обратно в космос с большим трудом.
Облака Венеры состоят из микроскопических капелек концентрированной серной кислоты (H2SO4). Верхний слой облаков удален от поверхности на 90 км, температура там ок. 200 К; нижний слой - на 30 км, температура ок. 430 К. Еще ниже так жарко, что облаков нет. Разумеется, на поверхности Венеры нет жидкой воды. Атмосфера Венеры на уровне верхнего облачного слоя вращается в том же направлении, что и поверхность планеты, но значительно быстрее, совершая оборот за 4 сут; это явление называют суперротацией, и объяснения ему пока не найдено.
Автоматические станции опускались на дневной и ночной сторонах Венеры. Днем поверхность планеты освещена рассеянным солнечным светом примерно с такой интенсивностью, как в пасмурный день на Земле. Ночью на Венере замечено много молний. Станции "Венера" передали изображения небольших участков в местах посадки, на которых виден скалистый грунт. В целом топография Венеры изучена по радиолокационным изображениям, переданным орбитальными аппаратами "Пионер-Венера" (1979), "Венера-15 и -16" (1983) и "Магеллан" (1990). Мельчайшие детали на лучших из них имеют размер около 100 м.
В отличие от Земли на Венере нет четко выраженных континентальных плит, но отмечается несколько глобальных возвышенностей, например земля Иштар размером с Австралию. На поверхности Венеры множество метеоритных кратеров и вулканических куполов. Очевидно, кора Венеры тонка, так что расплавленная лава подходит близко к поверхности и легко изливается на нее после падения метеоритов. Поскольку дождей и сильных ветров у поверхности Венеры не бывает, эрозия поверхности происходит очень медленно, и геологические структуры остаются доступными для наблюдения из космоса сотни миллионов лет. О внутреннем строении Венеры известно мало. Вероятно, у нее есть металлическое ядро, занимающее 50% радиуса. Но магнитного поля у планеты нет вследствие ее очень медленного вращения. Нет у Венеры и спутников.
Земля. Наша планета - единственная, у которой большая часть поверхности (75%) покрыта жидкой водой. Земля - активная планета и, возможно, единственная, у которой обновление поверхности обязано процессам тектоники плит, проявляющим себя срединно-океаническими хребтами, островными дугами и складчатыми горными поясами. Распределение высот твердой поверхности Земли бимодальное: средний уровень океанического дна на 3900 м ниже уровня моря, а континенты в среднем возвышаются над ним на 860 м (см. также ЗЕМЛЯ).
Сейсмические данные указывают на следующее строение земных недр: кора (30 км), мантия (до глубины 2900 км), металлическое ядро. Часть ядра расплавлена; там генерируется земное магнитное поле, которое улавливает заряженные частицы солнечного ветра (протоны и электроны) и формирует вокруг Земли две заполненные ими тороидальные области - радиационные пояса (пояса Ван-Аллена), локализованные на высотах 4000 и 17 000 км от поверхности Земли (см. также ГЕОЛОГИЯ; ГЕОМАГНЕТИЗМ).
Атмосфера Земли состоит на 78% из азота и на 21% из кислорода; это результат длительной эволюции под влиянием геологических, химических и биологических процессов. Возможно, первичная атмосфера Земли была богата водородом, который затем улетучился. Дегазация недр наполнила атмосферу углекислым газом и водяным паром. Но пар сконденсировался в океанах, а двуокись углерода оказалась связанной в карбонатных породах. (Любопытно, что если бы весь CO2 заполнил атмосферу в виде газа, то давление стало бы 90 бар, как на Венере. А если бы вся вода испарилась, то давление было бы 257 бар!). Таким образом, в атмосфере остался азот, а кислород появился постепенно в результате жизнедеятельности биосферы. Еще 600 млн. лет назад содержание кислорода в воздухе было раз в 100 ниже нынешнего (см. также АТМОСФЕРА; ОКЕАН).
Существуют указания, что климат Земли изменяется в короткой (10 000 лет) и длинной (100 млн. лет) шкалах. Причиной этого могут быть изменения орбитального движения Земли, наклона оси вращения, частоты вулканических извержений. Не исключены и колебания интенсивности солнечного излучения. В нашу эпоху на климат влияет и деятельность человека: выбросы газов и пыли в атмосферу (см. также КИСЛОТНЫЕ ОСАДКИ; ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА; ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ; ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДЕГРАДАЦИЯ). У Земли есть спутник - Луна, происхождение которой до сих пор не разгадано.
Луна. Один из крупнейших спутников, Луна находится на втором месте после Харона (спутника Плутона) по отношению масс спутника и планеты. Ее радиус в 3,7, а масса в 81 раз меньше, чем у Земли. Средняя плотность Луны 3,34 г/см3, что указывает на отсутствие у нее значительного металлического ядра. Сила тяжести на лунной поверхности в 6 раз меньше земной.
Луна обращается вокруг Земли по орбите с эксцентриситетом 0,055. Наклон плоскости ее орбиты к плоскости земного экватора изменяется от 18,3? до 28,6?, а по отношению к эклиптике - от 4?59? до 5?19?. Суточное вращение и орбитальное обращение Луны синхронизованы, поэтому мы всегда видим только одно ее полушарие. Правда, небольшие покачивания (либрации) Луны позволяют в течение месяца увидеть около 60% ее поверхности. Основная причина либраций в том, что суточное вращение Луны происходит с постоянной скоростью, а орбитальное обращение - с переменной (вследствие эксцентричности орбиты).
Участки лунной поверхности издавна условно делят на "морские" и "материковые". Поверхность морей выглядит темнее, лежит ниже и значительно реже покрыта метеоритными кратерами, чем материковая поверхность. Моря залиты базальтовыми лавами, а материки сложены анортозитовыми породами, богатыми полевыми шпатами. Судя по большому количеству кратеров, материковые поверхности значительно старше морских. Интенсивная метеоритная бомбардировка сделала верхний слой лунной коры мелко раздробленным, а наружные несколько метров превратила в порошок, называемый реголитом.
Астронавты и автоматические зонды доставили с Луны образцы скального грунта и реголита. Анализ показал, что возраст морской поверхности около 4 млрд. лет. Следовательно, период интенсивной метеоритной бомбардировки приходится на первые 0,5 млрд. лет после образования Луны 4,6 млрд. лет назад. Затем частота падения метеоритов и образования кратеров практически не изменялась и составляет до сих пор один кратер диаметром 1 км за 105 лет. См. также КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ .
Лунные породы бедны летучими элементами (H2O, Na, K, и т.п.) и железом, но богаты тугоплавкими элементами (Ti, Ca и т.п.). Лишь на дне лунных полярных кратеров могут быть залежи льда, такие, как на Меркурии. Атмосферы у Луны практически нет и нет свидетельств, что лунный грунт когда-либо подвергался воздействию жидкой воды. Нет в нем и органических веществ - лишь следы углистых хондритов, попавшие с метеоритами. Отсутствие воды и воздуха, а также сильные колебания температуры поверхности (390 К днем и 120 К ночью) делают Луну непригодной для жизни.
Доставленные на Луну сейсмометры позволили узнать кое-что о лунных недрах. Там часто происходят слабые "лунотрясения", вероятно, связанные с приливным влиянием Земли. Луна довольно однородна, имеет маленькое плотное ядро и кору толщиной около 65 км из более легких материалов, причем верхние 10 км коры раздроблены метеоритами еще 4 млрд. лет назад. Крупные ударные бассейны распределены по лунной поверхности равномерно, но толщина коры на видимой стороне Луны меньше, поэтому именно на ней сосредоточено 70% морской поверхности.
История лунной поверхности в целом известна: после окончания 4 млрд. лет назад этапа интенсивной метеоритной бомбардировки еще около 1 млрд. лет недра были достаточно горячими и базальтовая лава изливалась в моря. Затем лишь редкое падение метеоритов меняло лик нашего спутника. А вот о происхождении Луны до сих пор спорят. Она могла сформироваться самостоятельно и затем быть захваченной Землей; могла сформироваться вместе с Землей как ее спутник; наконец, могла отделиться от Земли в период формирования. Вторая возможность еще недавно была популярна, но в последние годы серьезно рассматривается гипотеза образования Луны из вещества, выброшенного прото-Землей при столкновении с крупным небесным телом.
Несмотря на неясность происхождения системы Земля - Луна, дальнейшая их эволюция прослеживается довольно надежно. Приливное взаимодействие существенно влияет на движение небесных тел: суточное вращение Луны практически уже прекратилось (его период уравнялся с орбитальным), а вращение Земли замедляется, передавая свой момент импульса орбитальному движению Луны, которая в результате удаляется от Земли примерно на 3 см в год. Это прекратится, когда вращение Земли выровняется с движением Луны. Тогда Земля и Луна будут постоянно повернуты друг к другу одной стороной (как Плутон и Харон), а их сутки и месяц станут равны 47 нынешним суткам; при этом Луна удалится от нас в 1,4 раза. Правда, и эта ситуация не сохранится навсегда, ибо не прекратят действовать на вращение Земли солнечные приливы (см. также ЛУНА; ЛУНЫ ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ИСТОРИЯ; ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ).
Марс. Марс похож на Землю, но почти вдвое меньше ее и имеют несколько меньшую среднюю плотность. Период суточного вращения (24 ч 37 мин) и наклон оси (24?) почти не отличаются от земных.
Земному наблюдателю Марс кажется красноватой звездочкой, блеск которой заметно меняется; он максимален в периоды противостояний, повторяющиеся через два с небольшим года (например, в апреле 1999 и в июне 2001). Особенно близок и ярок Марс в периоды великих противостояний, происходящих, если он в момент противостояния проходит вблизи перигелия; это случается через каждые 15-17 лет (ближайшее в августе 2003).
В телескоп на Марсе видны яркие оранжевые области и более темные районы, тон которых меняется в зависимости от сезона. На полюсах лежат ярко-белые снежные шапки. Красноватый цвет планеты связан с большим количеством окислов железа (ржавчины) в ее грунте. Состав темных областей, вероятно, напоминает земные базальты, а светлые сложены мелкодисперсным материалом.
В основном наши знания о Марсе получены автоматическими станциями. Самыми результативными оказались два орбитальных и два посадочных аппарата экспедиции "Викинг", которые опустились на Марс 20 июля и 3 сентября 1976 в областях Хриса (22? с.ш., 48? з.д.) и Утопия (48? с.ш., 226? з.д.), причем "Викинг-1" работал до ноября 1982. Оба они сели в классических светлых областях и оказались в красноватой песчаной пустыне, усыпанной темными камнями. 4 июля 1997 зонд "Марс пасфайндер" (США) в долину Ареса (19? с.ш., 34? з.д.) первый автоматический самоходный аппарат, обнаруживший смешанные породы и, возможно, обточенную водой и перемешанную с песком и глиной гальку, что указывает на сильные изменения марсианского климата и наличие в прошлом большого количества воды.
Разреженная атмосфера Марса состоит на 95% из углекислого газа и на 3% из азота. В малом количестве присутствуют водяной пар, кислород и аргон. Среднее давление у поверхности 6 мбар (т. е. 0,6% земного). При таком низком давлении не может быть жидкой воды. Средняя дневная температура 240 К, а максимальная летом на экваторе достигает 290 К. Суточные колебания температуры около 100 К. Таким образом, климат Марса - это климат холодной, обезвоженной высокогорной пустыни.
В высоких широтах Марса зимой температура опускается ниже 150 К и атмосферный углекислый газ (CO2) замерзает и выпадает на поверхность белым снегом, образуя полярную шапку. Периодическая конденсация и сублимация полярных шапок вызывает сезонные колебания давления атмосферы на 30%. К концу зимы граница полярной шапки опускается до 45?-50? широты, а летом от нее остается небольшая область (300 км диаметром у южного полюса и 1000 км у северного), вероятно, состоящая из водяного льда, толщина которого может достигать 1-2 км.
Иногда на Марсе дуют сильные ветры, поднимающие в воздух тучи мелкого песка. Особенно мощные пылевые бури бывают в конце весны в южном полушарии, когда Марс проходит через перигелий орбиты и солнечное тепло особенно велико. На недели и даже месяцы атмосфера становится непрозрачной от желтой пыли. Орбитальные аппараты "Викингов" передали изображения мощных песчаных дюн на дне крупных кратеров. Отложения пыли так сильно меняют вид марсианской поверхности от сезона к сезону, что это заметно даже с Земли при наблюдении в телескоп. В прошлом эти сезонные изменения цвета поверхности некоторые астрономы считали признаком растительности на Марсе.
Геология Марса весьма разнообразна. Большие пространства южного полушария покрыты старыми кратерами, оставшимися от эпохи древней метеоритной бомбардировки (4 млрд. лет назад). Значительная часть северного полушария покрыта более молодыми лавовыми потоками. Особенно интересна возвышенность Фарсида (10? с.ш., 110? з.д.), на которой расположены несколько гигантских вулканических гор. Высочайшая среди них - гора Олимп - имеет поперечник у основания 600 км и высоту 25 км. Хотя признаков вулканической активности сейчас нет, возраст лавовых потоков не превышает 100 млн. лет, что немного по сравнению с возрастом планеты 4,6 млрд. лет.
Хотя древние вулканы указывают на некогда мощную активность марсианских недр, признаков тектоники плит нет: отсутствуют складчатые горные пояса и другие указатели сжатия коры. Однако есть мощные рифтовые разломы, крупнейший из которых - долины Маринера - тянется от Фарсиды к востоку на 4000 км при максимальной ширине 700 км и глубине 6 км.
Одним из интереснейших геологических открытий, сделанных по снимкам с космических аппаратов, стали разветвленные извилистые долины длиной в сотни километров, напоминающие высохшие русла земных рек. Это наводит на мысль о более благоприятном климате в прошлом, когда температура и давление могли быть выше и по поверхности Марса текли реки. Правда, расположение долин в южных, сильно кратерированных районах Марса указывает на то, что реки на Марсе были очень давно, вероятно, в первые 0,5 млрд. лет его эволюции. Теперь вода лежит на поверхности в виде льда полярных шапок и, возможно, под поверхностью в виде слоя вечной мерзлоты.
Внутреннее строение Марса изучено слабо. Его низкая средняя плотность свидетельствует об отсутствии значительного металлического ядра; во всяком случае оно не расплавлено, что следует из отсутствия у Марса магнитного поля. Сейсмометр на посадочном блоке аппарата "Викинг-2" не зафиксировал сейсмической активности планеты за 2 года работы (на "Викинге-1" сейсмометр не действовал).
Марс имеет два маленьких спутника - Фобос и Деймос. Оба они неправильной формы, покрыты метеоритными кратерами и, вероятно, являются астероидами, захваченными планетой в далеком прошлом. Фобос обращается вокруг планеты по очень низкой орбите и продолжает приближаться к Марсу под действием приливов; позже он будет разрушен притяжением планеты.
Юпитер. Крупнейшая планета Солнечной системы, Юпитер, в 11 раз больше Земли и в 318 раз массивнее ее. Его низкая средняя плотность (1,3 г/см3) указывает на состав, близкий к солнечному: в основном это водород и гелий. Быстрое вращение Юпитера вокруг оси вызывает его полярное сжатие на 6,4%.
В телескоп на Юпитере видны облачные полосы, параллельные экватору; светлые зоны в них перемежаются красноватыми поясами. Вероятно, светлые зоны - это области восходящих потоков, где видны верхушки аммиачных облаков; красноватые пояса связаны с нисходящими потоками, яркий цвет которых определяют гидросульфат аммония, а также соединения красного фосфора, серы и органические полимеры. Кроме водорода и гелия в атмосфере Юпитера спектроскопически обнаружены CH4, NH3, H2O, C2H2, C2H6, HCN, CO, CO2, PH3 и GeH4. Температура на уровне верхушек аммиачных облаков 125 К, но с глубиной она увеличивается на 2,5 К/км. На глубине 60 км должен быть слой водяных облаков.
Скорости движения облаков в зонах и соседних поясах существенно различаются: так, в экваториальном поясе облака движутся к востоку на 100 м/с быстрее, чем в соседних зонах. Разница скоростей вызывает сильную турбулентность на границах зон и поясов, что делает их форму весьма замысловатой. Одним из проявлений этого служат овальные вращающиеся пятна, крупнейшее из которых - Большое Красное Пятно - было открыто более 300 лет назад Кассини. Это пятно (25 000?15 000 км) больше диска Земли; оно имеет спиральную циклоническую структуру и совершает один оборот вокруг оси за 6 сут. Остальные пятна меньшего размера и почему-то все белые.
У Юпитера нет твердой поверхности. Верхний слой планеты протяженностью 25% радиуса состоит из жидкого водорода и гелия. Ниже, где давление превышает 3 млн. бар, а температура 10 000 К, водород переходит в металлическое состояние. Возможно, вблизи центра планеты есть жидкое ядро из более тяжелых элементов с общей массой порядка 10 масс Земли. В центре давление около 100 млн. бар и температура 20-30 тыс. К.
Жидкие металлические недра и быстрое вращение планеты стали причиной ее мощного магнитного поля, которое в 15 раз сильнее земного. Огромная магнитосфера Юпитера с мощными радиационными поясами простирается за орбиты его четырех крупных спутников.
Температура в центре Юпитера всегда была ниже, чем необходимо для протекания термоядерных реакций. Но внутренние запасы тепла у Юпитера, оставшиеся с эпохи формирования, велики. Даже сейчас, спустя 4,6 млрд. лет, он выделяет примерно столько же тепла, сколько получает от Солнца; в первый миллион лет эволюции мощность излучения Юпитера была в 104 раз выше. Поскольку это была эпоха формирования крупных спутников планеты, не удивительно, что их состав зависит от расстояния до Юпитера: два ближайших к нему - Ио и Европа - имеют довольно высокую плотность (3,5 и 3,0 г/см3), а более далекие - Ганимед и Каллисто - содержат много водяного льда и поэтому менее плотны (1,9 и 1,8 г/см3).
Спутники. У Юпитера не менее 16 спутников и слабое кольцо: оно удалено на 53 тыс. км от верхнего слоя облаков, имеет ширину 6000 км и состоит, по-видимому, из мелких и очень темных твердых частиц. Четыре крупнейших спутника Юпитера называют галилеевыми, поскольку их открыл Галилей в 1610; независимо от него в том же году их обнаружил немецкий астроном Марий, давший им нынешние имена - Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Наименьший из спутников - Европа - чуть меньше Луны, а Ганимед больше Меркурия. Все они видны в бинокль.
На поверхности Ио "Вояджеры" обнаружили несколько действующих вулканов, выбрасывающих вещество на сотни километров вверх. Поверхность Ио покрыта рыжеватыми отложениями серы и светлыми пятнами двуокиси серы - продуктами вулканических извержений. В виде газа двуокись серы образует крайне разреженную атмосферу Ио. Энергия вулканической деятельности черпается из приливного влияния планеты на спутник. Орбита Ио проходит в радиационных поясах Юпитера, и давно уже установлено, что спутник сильно взаимодействует с магнитосферой, вызывая в ней радиовсплески. В 1973 вдоль орбиты Ио обнаружен тор из светящихся атомов натрия; позже там были найдены ионы серы, калия и кислорода. Эти вещества выбиваются энергичными протонами радиационных поясов либо прямо из поверхности Ио, либо из газовых "плюмажей" вулканов.
Хотя приливное влияние Юпитера на Европу слабее, чем на Ио, его недра тоже могут быть частично расплавлены. Спектральные исследования показывают, что на поверхности Европы лежит водяной лед, а его красноватый оттенок, вероятно, связан с загрязнением серой от Ио. Почти полное отсутствие ударных кратеров указывает на геологическую молодость поверхности. Складки и разломы ледяной поверхности Европы напоминают ледяные поля земных полярных морей; вероятно, на Европе под слоем льда находится жидкая вода.
Ганимед - крупнейший спутник в Солнечной системе. Его плотность невелика; вероятно, он состоит наполовину из каменных пород и наполовину из льда. Его поверхность выглядит странно и хранит следы расширения коры, возможно, сопровождавшего процесс дифференциации недр. Участки древней кратерированной поверхности разделены более молодыми желобами, длиной в сотни километров и шириной 1-2 км, лежащими на расстоянии 10-20 км друг от друга. Вероятно, это более молодой лед, образовавшийся при излиянии воды сквозь трещины сразу после дифференциации около 4 млрд. лет назад.
Каллисто похож на Ганимед, но на его поверхности нет следов разломов; вся она очень старая и сильно кратерированная. Поверхность обоих спутников покрыта льдом вперемежку с горными породами типа реголита. Но если на Ганимеде лед составляет около 50%, то на Каллисто - менее 20%. Состав горных пород Ганимеда и Каллисто, вероятно, похож на состав углеродистых метеоритов.
Спутники Юпитера лишены атмосферы, если не считать разреженного вулканического газа SO2 на Ио.
Из дюжины малых спутников Юпитера четыре расположены ближе галилеевых к планете; крупнейший из них Амальтея - кратерированный объект неправильной формы (размеры 270?166?150 км). Его темная поверхность - очень красная - возможно, покрыта серой с Ио. Внешние малые спутники Юпитера делятся на две группы в соответствии с их орбитами: 4 более близких к планете обращаются в прямом (относительно вращения планеты) направлении, а 4 более далеких - в обратном. Все они маленькие и темные; вероятно, они захвачены Юпитером из числа астероидов группы Троянцев (см. АСТЕРОИД).
Сатурн. Вторая по размеру планета-гигант. Это водородно-гелиевая планета, однако относительное содержание гелия у Сатурна меньше, чем у Юпитера; ниже и его средняя плотность. Быстрое вращение Сатурна приводит к его большой сплюснутости (11%).
В телескоп диск Сатурна выглядит не так эффектно, как Юпитер: он имеет коричневато-оранжевую окраску и слабо выраженные пояса и зоны. Причина в том, что верхние области его атмосферы заполнены рассеивающим свет аммиачным (NH3) туманом. Сатурн дальше от Солнца, поэтому температура его верхней атмосферы (90 К) на 35 К ниже, чем у Юпитера, и аммиак находится в сконденсированном состоянии. С глубиной температура атмосферы возрастает на 1,2 К/км, поэтому облачная структура напоминает юпитерианскую: под слоем облаков из гидросульфата аммония находится слой водяных облаков. Кроме водорода и гелия в атмосфере Сатурна спектроскопически обнаружены CH4, NH3, C2H2, C2H6, C3H4, C3H8 и PH3.
По внутреннему строению Сатурн также напоминает Юпитер, хотя из-за меньшей массы имеет меньшее давление и температуру в центре (75 млн. бар и 10 500 К). Магнитное поле Сатурна сравнимо с земным.
Как и Юпитер, Сатурн выделяет внутреннее тепло, причем вдвое больше, чем получает от Солнца. Правда, это отношение больше, чем у Юпитера, потому, что расположенный вдвое дальше Сатурн получает от Солнца вчетверо меньше тепла.
Кольца Сатурна. Сатурн опоясан уникально мощной системой колец до расстояния 2,3 радиуса планеты. Они легко различимы при наблюдении в телескоп, а при изучении с близкого расстояния демонстрируют исключительное разнообразие: от массивного кольца B до узкого кольца F, от спиральных волн плотности до совершенно неожиданных радиально вытянутых "спиц", открытых "Вояджерами".
Частицы, заполняющие кольца Сатурна, значительно лучше отражают свет, чем вещество темных колец Урана и Нептуна; их исследование в разных спектральных диапазонах показывает, что это "грязные снежки" с размерами порядка метра. Три классических кольца Сатурна по порядку от внешнего к внутреннему обозначают буквами A, B и C. Кольцо B довольно плотное: радиосигналы от "Вояджера" проходили через него с трудом. Промежуток в 4000 км между кольцами A и B, называемый делением (или щелью) Кассини, в действительности не пуст, а по плотности сравним с бледным кольцом C, которое раньше называли креповым кольцом. Вблизи внешнего края кольца A есть менее заметная щель Энке.
В 1859 Максвелл заключил, что кольца Сатурна должны состоять из отдельных частиц, обращающихся по орбитам вокруг планеты. В конце 19 в. это было подтверждено спектральными наблюдениями, показавшими, что внутренние части колец обращаются быстрее внешних. Поскольку кольца лежат в плоскости экватора планеты, а значит, наклонены к орбитальной плоскости на 27?, Земля дважды за 29,5 лет попадает в плоскость колец, и мы наблюдаем их с ребра. В этот момент кольца "пропадают", что доказывает их очень малую толщину - не более нескольких километров.
Детальные изображения колец, полученные "Пионером-11" (1979) и "Вояджерами" (1980 и 1981), показали значительно более сложную их структуру, чем ожидалось. Кольца разделены на сотни отдельных колечек с типичной шириной в несколько сотен километров. Даже в щели Кассини оказалось не менее пяти колечек. Детальный анализ показал, что кольца неоднородны как по размеру, так, возможно, и по составу частиц. Сложная структура колец, вероятно, обязана гравитационному влиянию маленьких близких к ним спутников, о которых прежде и не подозревали.
Вероятно, самым необычным является тончайшее кольцо F, открытое в 1979 "Пионером" на расстоянии 4000 км от внешнего края кольца A. "Вояджер-1" обнаружил, что кольцо F перекручено и заплетено, как коса, но пролетавший 9 мес. спустя "Вояджер-2" нашел строение кольца F значительно более простым: "пряди" вещества уже не переплетались между собой. Такая структура и ее быстрая эволюция частично объясняются влиянием двух маленьких спутников (Прометей и Пандора), движущихся у внешнего и внутреннего краев этого кольца; их называют "сторожевыми псами". Не исключено, однако, присутствие еще более мелких тел или временных скоплений вещества внутри самого кольца F.
Спутники. У Сатурна не менее 18 спутников. Большинство их них, вероятно, ледяные. У некоторых очень интересные орбиты. Например, у Януса и Эпиметея почти одинаковые радиусы орбит. По орбите Дионы на 60? впереди нее (это положение называют лидирующей точкой Лагранжа) движется меньший спутник Елена. Тефию сопровождают два маленьких спутника - Телесто и Калипсо - в лидирующей и отстающей точках Лагранжа ее орбиты.
С хорошей точностью измерены радиусы и массы семи спутников Сатурна (Мимас, Энцелад, Тефия, Диона, Рея, Титан и Япет). Все они в основном ледяные. Те, что поменьше, имеют плотности 1-1,4 г/см3, что близко к плотности водяного льда с большей или меньшей примесью горных пород. Содержат ли они метановый и аммиачный лед, пока не ясно. Более высокая плотность Титана (1,9 г/см3) есть результат его большой массы, вызывающей сжатие недр. По диаметру и плотности Титан очень похож на Ганимеда; вероятно, и внутренняя структура у них схожая. Титан второй по размеру спутник в Солнечной системе, а уникален он тем, что имеет постоянную мощную атмосферу, состоящую в основном из азота и небольшого количества метана. Давление у его поверхности 1,6 бар, температура 90 К. При таких условиях на поверхности Титана может быть жидкий метан. Верхние слои атмосферы до высот 240 км заполнены оранжевыми облаками, вероятно, состоящими из частиц органических полимеров, синтезирующихся под влиянием ультрафиолетовых лучей Солнца.
Остальные спутники Сатурна слишком малы, чтобы иметь атмосферу. Их поверхности покрыты льдом и сильно кратерированы. Лишь на поверхности Энцелада значительно меньше кратеров. Вероятно, приливное влияние Сатурна поддерживает его недра в расплавленном состоянии, а удары метеоритов приводят к излиянию воды и заполнению кратеров. Некоторые астрономы считают, что частицы с поверхности Энцелада образовали широкое кольцо E, протянувшееся вдоль его орбиты.
Очень интересен спутник Япет, у которого заднее (относительно направления орбитального движения) полушарие покрыто льдом и отражает 50% падающего света, а переднее полушарие такое темное, что отражает только 5% света; оно покрыто чем-то вроде вещества углистых метеоритов. Возможно, на переднее полушарие Япета попадает вещество, выброшенное под действием метеоритных ударов с поверхности внешнего спутника Сатурна Фебы. В принципе это возможно, поскольку Феба движется по орбите в обратном направлении. К тому же поверхность Фебы довольно темная, но точных данных о ней пока нет.
Уран. Уран имеет цвет морской волны и выглядит невыразительно, поскольку верхние слои его атмосферы заполнены туманом, сквозь который пролетавшему вблизи него в 1986 зонду "Вояджер-2" с трудом удалось увидеть несколько облаков. Ось планеты наклонена к орбитальной оси на 98,5?, т.е. лежит почти в плоскости орбиты. Поэтому каждый из полюсов некоторое время обращен прямо на Солнце, а затем на полгода (42 земных года) уходит в тень.
Атмосфера Урана содержит в основном водород, 12-15% гелия и немного других газов. Температура атмосферы около 50 К, хотя в верхних разреженных слоях она поднимается до 750 К днем и 100 К ночью. Магнитное поле Урана по напряженности у поверхности немного слабее земного, а его ось наклонена к оси вращения планеты на 55?. О внутренней структуре планеты известно мало. Вероятно, облачный слой простирается до глубины 11 000 км, затем следует горячий водяной океан глубиной 8000 км, а под ним расплавленное каменное ядро радиусом 7000 км.
Кольца. В 1976 были открыты уникальные кольца Урана, состоящие из отдельных тонких колечек, самая широкая из которых имеет толщину 100 км. Кольца расположены в диапазоне расстояний от 1,5 до 2,0 радиусов планеты от ее центра. В отличие от колец Сатурна кольца Урана состоят из крупных темных камней. Полагают, что в каждом кольце движется маленький спутник или даже два спутника, как в кольце F Сатурна.
Спутники. Открыто 20 спутников Урана. Крупнейшие - Титания и Оберон - диаметром по 1500 км. Есть еще 3 крупных, размером более 500 км, остальные очень маленькие. Спектры поверхности пяти крупных спутников указывают на большое количество водяного льда. Поверхности всех спутников покрыты метеоритными кратерами.
Нептун. Внешне Нептун похож на Уран; в его спектре также доминируют полосы метана и водорода. Поток тепла от Нептуна заметно превышает мощность падающего на него солнечного тепла, что указывает на существование внутреннего источника энергии. Возможно, значительная часть внутреннего тепла выделяется в результате приливов, вызванных массивным спутником Тритоном, который обращается в обратном направлении на расстоянии 14,5 радиуса планеты. "Вояджер-2", пролетев в 1989 на расстоянии 5000 км от облачного слоя, обнаружил у Нептуна еще 6 спутников и 5 колец. В атмосфере были открыты Большое Темное Пятно и сложная система вихревых потоков. На розоватой поверхности Тритона обнаружились удивительные геологические детали, включая мощные гейзеры. Открытый "Вояджером" спутник Протей оказался больше Нереиды, обнаруженной с Земли еще в 1949.
Плутон. У Плутона сильно вытянутая и наклоненная орбита; в перигелии он приближается к Солнцу на 29,6 а.е. и удаляется в афелии на 49,3 а.е. В 1989 Плутон прошел перигелий; с 1979 по 1999 он был ближе к Солнцу, чем Нептун. Однако из-за большого наклона орбиты Плутона его путь никогда не пересекается с Нептуном. Средняя температура поверхности Плутона 50 К, она изменяется от афелия к перигелию на 15 К, что весьма заметно при таких низких температурах. В частности, это приводит к появлению разреженной метановой атмосферы в период прохождения планетой перигелия, но ее давление в 100 000 раз меньше давления земной атмосферы. Плутон не может долго удерживать атмосферу - ведь он меньше Луны.
Спутник Плутона Харон обращается за 6,4 сут близко от планеты. Его орбита очень сильно наклонена к эклиптике, так что затмения происходят лишь в редкие эпохи прохождения Земли через плоскость орбиты Харона. Яркость Плутона регулярно меняется с периодом 6,4 сут. Следовательно, Плутон вращается синхронно с Хароном и на поверхности у него есть крупные пятна. По отношению к размеру планеты Харон очень велик. Часто пару Плутон - Харон называют "двойной планетой". Одно время Плутон считали "сбежавшим" спутником Нептуна, но после открытия Харона это выглядит маловероятным.
ПЛАНЕТЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Внутреннее строение. Объекты Солнечной системы с точки зрения их внутреннего строения можно разделить на 4 категории: 1) кометы, 2) малые тела, 3) планеты земного типа, 4) газовые гиганты. Кометы - простые ледяные тела с особым составом и историей. К категории малых тел относят все прочие небесные объекты с радиусами менее 200 км: межпланетные пылинки, частицы планетных колец, малые спутники и большинство астероидов. За время эволюции Солнечной системы все они потеряли тепло, выделившееся в ходе первичной аккреции, и остыли, не имея достаточного размера, чтобы нагреться из-за происходящего в них радиоактивного распада. Планеты земного типа весьма разнообразны: от "железного" Меркурия до загадочной ледяной системы Плутон - Харон. К категории газовых гигантов помимо крупнейших планет по формальным признакам иногда относят и Солнце.
Важнейшим параметром, определяющим состав планеты, служит средняя плотность (полная масса, деленная на полный объем). Ее значение сразу указывает, какова планета - "каменная" (силикаты, металлы), "ледяная" (вода, аммиак, метан) или "газовая" (водород, гелий). Хотя поверхности Меркурия и Луны поразительно похожи, их внутренний состав совершенно различен, поскольку средняя плотность Меркурия в 1,6 раза выше, чем у Луны. При этом масса Меркурия невелика, а значит, его высокая плотность в основном обязана не сжатию вещества под действием силы тяжести, а особому химическому составу: Меркурий содержит по массе 60-70% металлов и 30-40% силикатов. Содержание металлов на единицу массы у Меркурия значительно выше, чем у любой другой планеты.
Венера вращается настолько медленно, что ее экваториальное вздутие измеряется лишь долями метра (у Земли - 21 км) и совершенно не может сообщить что-либо о внутренней структуре планеты. Ее гравитационное поле коррелирует с топографией поверхности, в отличие от Земли, где континенты "плавают". Возможно, континенты Венеры фиксируются жесткостью мантии, но не исключено, что рельеф Венеры динамически поддерживается энергичной конвекцией в ее мантии.
Поверхность Земли существенно моложе поверхностей других тел Солнечной системы. Причиной этого в основном служит интенсивная переработка вещества коры в результате тектоники плит. Заметно влияет и эрозия под действием жидкой воды. На поверхностях большинства планет и спутников доминируют кольцевые структуры, связанные с ударными кратерами или вулканами; на Земле тектоника плит привела к тому, что ее крупнейшие возвышенности и низменности носят линейный характер. Примером служат горные хребты, вырастающие в местах столкновения двух плит; океанические желоба, отмечающие места, где одна плита уходит под другую (зоны субдукции); а также срединно-океанические хребты в тех местах, где две плиты расходятся под действием всплывающей из мантии молодой коры (зоны спрединга). Таким образом, рельеф земной поверхности отражает динамику ее недр.
Небольшие образцы верхней мантии Земли становятся доступны для лабораторного изучения, когда они поднимаются к поверхности в составе магматических пород. Известны ультраосновные включения (ультрабазиты, бедные силикатами и богатые Mg и Fe), содержащие минералы, которые формируются только при высоком давлении (например, алмаз), а также парные минералы, способные сосуществовать только в том случае, если они сформировались при высоком давлении. Эти включения позволили с достаточной точностью оценить состав верхней мантии до глубины ок. 200 км. Минералогический состав глубинной мантии известен не так хорошо, поскольку пока нет точных данных о распределении температуры с глубиной и не воспроизведены в лаборатории основные фазы глубинных минералов. Ядро Земли подразделяют на внешнее и внутренее. Внешнее ядро не пропускает поперечные сейсмические волны, следовательно, оно жидкое. Однако на глубине 5200 км вещество ядра вновь начинает проводить поперечные волны, но с низкой скоростью; это означает, что внутреннее ядро частично "заморожено". Плотность ядра ниже, чем была бы у чистой железо-никелевой жидкости, вероятно, из-за примеси серы.
Четверть марсианской поверхности занимает возвышенность Фарсида, поднявшаяся на 7 км относительно среднего радиуса планеты. Именно на ней расположено большинство вулканов, при формировании которых лава растекалась на большое расстояние, что характерно для расплавленных пород, богатых железом. Одна из причин огромного размера марсианских вулканов (крупнейших в Солнечной системе) состоит в том, что, в отличие от Земли, у Марса нет плит, движущихся относительно горячих очагов в мантии, поэтому вулканы долго растут на одном месте. У Марса нет магнитного поля и не обнаружена сейсмическая активность. В его грунте оказалось много окислов железа, что указывает на слабую дифференциацию недр.
Внутреннее тепло. Многие планеты излучают больше тепла, чем получают от Солнца. Количество тепла, выработанное и сохранившееся в недрах планеты, зависит от ее истории. Для формирующейся планеты главным источником тепла служит метеоритная бомбардировка; затем тепло выделяется в ходе дифференциации недр, когда наиболее плотные компоненты, такие, как железо и никель, оседают к центру и формируют ядро. Юпитер, Сатурн и Нептун (но, по некоторым причинам, - не Уран) все еще излучают тепло, запасенное ими в период формирования 4,6 млрд. лет назад. У планет земного типа важным источником нагрева в нынешнюю эпоху служит распад радиоактивных элементов - урана, тория и калия, - входивших в небольшом количестве в исходный хондритный (солнечный) состав. Рассеяние энергии движения в приливных деформациях - так называемая "приливная диссипация" - служит главным источником нагрева Ио и играет заметную роль в эволюции некоторых планет, вращение которых (например, Меркурия) замедлили приливы.
Конвекция в мантии. Если подогревать жидкость достаточно сильно, в ней развивается конвекция, поскольку теплопроводность и излучение не справляются с подводимым локально потоком тепла. Может показаться странным утверждение, что недра планет земного типа охвачены конвекцией, как жидкость. Разве мы не знаем, что по данным сейсмологии в земной мантии распространяются поперечные волны и, следовательно, мантия состоит не из жидкости, а из твердых пород? Но возьмем обычную стекольную замазку: при медленном нажиме она ведет себя как вязкая жидкость, при резком нажиме - как эластичное тело, а при ударе - как камень. Значит, чтобы понять, как ведет себя вещество, мы должны принимать во внимание, в какой шкале времени происходят процессы. Поперечные сейсмические волны проходят сквозь земные недра за минуты. В геологической шкале времени, измеряемой миллионами лет, породы деформируются пластически, если к ним постоянно приложено значительное напряжение.
Поразительно, что земная кора все еще выпрямляется, возвращаясь к прежней форме, которую она имела до последнего оледенения, закончившегося 10 000 лет назад. Изучив возраст поднявшихся берегов Скандинавии, Н.Хаскель вычислил в 1935, что вязкость земной мантии в 1023 раз больше вязкости жидкой воды. Но и при этом математический анализ показывает, что земная мантия находится в состоянии интенсивной конвекции (такое движение земных недр можно было бы увидеть в ускоренном кинофильме, где за секунду проходит миллион лет). Аналогичные вычисления показывают, что конвективными мантиями, вероятно, обладают также Венера, Марс и, в меньшей степени, Меркурий и Луна.
Природу конвекции в газовых планетах-гигантах мы только начинаем разгадывать. Известно, что на конвективные движения сильно влияет быстрое вращение, которое существует у планет-гигантов, но экспериментально изучить конвекцию во вращающейся сфере с центральным притяжением очень нелегко. До сих пор наиболее точные эксперименты такого рода проводили в условиях микрогравитации на околоземной орбите. Эти опыты вместе с теоретическими расчетами и численными моделями показали, что конвекция происходит в трубках, вытянутых вдоль оси вращения планеты и изогнутых в соответствии с ее сферичностью. Такие конвективные ячейки за их форму прозвали "бананами".
Давление у газовых планет-гигантов изменяется от 1 бар на уровне верхушек облаков до примерно 50 Мбар в центре. Поэтому их основной компонент - водород - пребывает на разных уровнях в разных фазах. При давлении выше 3 Мбар обычный молекулярный водород становится жидким металлом, подобным литию. Вычисления показывают, что Юпитер в основном состоит из металлического водорода. А Уран и Нептун, по-видимому, имеют протяженную мантию из жидкой воды, также являющейся неплохим проводником.
Магнитное поле. Внешнее магнитное поле планеты несет важную информацию о движении ее недр. Именно магнитное поле задает систему отсчета, в которой измеряют скорость ветра в облачной атмосфере планеты-гиганта; именно оно указывает, что в жидком металлическом ядре Земли существуют мощные потоки, а в водяных мантиях Урана и Нептуна происходит активное перемешивание. Напротив, отсутствие сильного магнитного поля у Венеры и Марса накладывает ограничения на их внутреннюю динамику. Среди планет земной группы магнитное поле Земли имеет выдающуюся интенсивность, указывая на активный динамо-эффект. Отсутствие сильного магнитного поля у Венеры не означает, что ее ядро затвердело: скорее всего, медленное вращение планеты препятствует динамо-эффекту.
Уран и Нептун имеют одинаковые магнитные диполи с большим наклоном к осям планет и смещением относительно их центров; это указывает, что их магнетизм рождается в мантиях, а не в ядрах. Собственные магнитные поля имеют спутники Юпитера - Ио, Европа и Ганимед, а у Каллисто его нет. Остаточный магнетизм обнаружен у Луны.
Атмосфера. Атмосферу имеют Солнце, восемь из девяти планет и три из шестидесяти трех спутников. Каждая атмосфера имеет свой особый химический состав и тип поведения, называемый "погодой". Атмосферы делят на две группы: у планет земного типа плотная поверхность материков или океана определяет условия на нижней границе атмосферы, а у газовых гигантов атмосфера практически бездонная.
У планет земного типа тонкий (0,1 км) слой атмосферы вблизи поверхности постоянно испытывает от нее нагрев или охлаждение, а при движении - трение и турбулентность (из-за неровностей рельефа); этот слой называют приземным или пограничным. У самой поверхности молекулярная вязкость как бы "приклеивает" атмосферу к земле, поэтому даже легкий ветерок создает сильный вертикальный градиент скорости, который может вызывать турбулентность. Изменение температуры воздуха с высотой контролируется конвективной неустойчивостью, поскольку снизу воздух нагревается от теплой поверхности, становится легче и всплывает; поднимаясь в области низкого давления, он расширяется и излучает тепло в космос, отчего охлаждается, становится плотнее и тонет. В результате конвекции в нижних слоях атмосферы устанавливается адиабатический вертикальный градиент температуры: например, в атмосфере Земли температура воздуха уменьшается с высотой на 6,5 К/км. Такая ситуация существует вплоть до тропопаузы (греч. "тропо" - поворот, "паузис" - прекращение), ограничивающей нижний слой атмосферы, называемый тропосферой. Именно здесь происходят те изменения, которые мы называем погодой. У Земли тропопауза проходит на высотах 8-18 км; у экватора она на 10 км выше, чем у полюсов. По причине экспоненциального уменьшения плотности с высотой 80% массы атмосферы Земли заключено в тропосфере. В ней же находится почти весь водяной пар, а значит, и облака, создающие погоду.
На Венере двуокись углерода и водяной пар вместе с серной кислотой и двуокисью серы поглощают почти все инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью. Это вызывает сильный парниковый эффект, т.е. приводит к тому, что температура поверхности Венеры на 500 К выше той, которую она имела бы при прозрачной для инфракрасного излучения атмосфере. Главными "парниковыми" газами на Земле служат водяной пар и двуокись углерода, повышающие температуру на 30 К. На Марсе двуокись углерода и атмосферная пыль вызывают слабый парниковый эффект всего в 5 К. Горячая поверхность Венеры препятствует выходу серы из состава атмосферы путем ее связывания в поверхностных породах. Двуокисью серы обогащена нижняя атмосфера Венеры, поэтому в ней на высотах от 50 до 80 км присутствует плотный слой сернокислотных облаков. Незначительное количество серосодержащих веществ обнаруживается и в земной атмосфере, в особенности после мощных вулканических извержений. В атмосфере Марса сера не зарегистрирована, следовательно, его вулканы в нынешнюю эпоху неактивны.
На Земле стабильное понижение температуры с высотой в тропосфере cменяется выше тропопаузы на рост температуры с высотой. Поэтому там существует чрезвычайно устойчивый слой, названный стратосферой (лат. stratum - слой, настил). Существование постоянных тонких аэрозольных слоев и длительное пребывание там радиоактивных элементов от ядерных взрывов служат прямым доказательством отсутствия перемешивания в стратосфере. В земной стратосфере температура продолжает расти с высотой вплоть до стратопаузы, проходящей на высоте ок. 50 км. Источником тепла в стратосфере служат фотохимические реакции озона, концентрация которого максимальна на высоте ок. 25 км. Озон поглощает ультрафиолетовое излучение, поэтому ниже 75 км почти все оно преобразуется в тепло. Химия стратосферы сложна. Озон в основном образуется над экваториальными областями, но его наибольшая концентрация обнаруживается над полюсами; это указывает, что на содержание озона влияет не только химия, но и динамика атмосферы. У Марса концентрация озона также выше над полюсами, в особенности над зимним полюсом. В сухой атмосфере Марса относительно мало гидроксильных радикалов (OH), разрушающих озон.
Температурные профили атмосфер планет-гигантов определены по наземным наблюдениям покрытий планетами звезд и по данным зондов, в частности, по ослаблению радиосигналов при заходе зонда за планету. У каждой из планет обнаружились тропопауза и стратосфера, выше которых лежат термосфера, экзосфера и ионосфера. Температура термосфер Юпитера, Сатурна и Урана соответственно составляет ок. 1000, 420 и 800 К. Высокая температура и относительно низкая сила тяжести на Уране позволяют атмосфере простираться до колец. Это вызывает торможение и быстрое падение пылевых частиц. Поскольку в кольцах Урана все же наблюдаются пылевые полосы, там должен быть источник пыли.
Хотя температурная структура тропосферы и стратосферы в атмосферах разных планет имеет много общего, их химический состав сильно различается. Атмосферы Венеры и Марса в основном состоят из углекислого газа, но представляют два крайних примера эволюции атмосферы: у Венеры атмосфера плотная и горячая, а у Марса - холодная и разреженная. Важно понять, придет ли в конце-концов земная атмосфера к одному из этих двух типов, и всегда ли эти три атмосферы были такими разными.
Судьбу исходной воды на планете можно выяснить, измеряя содержание дейтерия по отношению к легкому изотопу водорода: отношение D/H налагает ограничение на количество водорода, покидающего планету. Масса воды в атмосфере Венеры сейчас составляет 10-5 от массы земных океанов. Но отношение D/H у Венеры раз в 100 выше, чем на Земле. Если вначале это отношение было на Земле и Венере одинаковым и запасы воды на Венере за время ее эволюции не пополнялись, то стократный рост отношения D/H на Венере означает, что когда-то на ней было раз в сто больше воды, чем сейчас. Объяснение этому обычно ищут в рамках теории "парникового улетучивания", которая утверждает, что Венера никогда не была достаточно холодной для конденсации воды на ее поверхности. Если вода всегда заполняла атмосферу в виде пара, то фотодиссоциация молекул воды приводила к выделению водорода, легкий изотоп которого улетучивался из атмосферы в космос, а оставшаяся вода обогащалась дейтерием.
Большой интерес вызывает сильное различие атмосфер Земли и Венеры. Считается, что современные атмосферы планет земного типа образовались в результате дегазации недр; при этом в основном выделялись пары воды и углекислый газ. На Земле вода сосредоточилась в океане, а двуокись углерода оказалась связанной в осадочных породах. Но Венера ближе к Солнцу, там жарко и нет жизни; поэтому углекислый газ остался в атмосфере. Пары воды под действием солнечного света диссоциировали на водород и кислород; водород улетучился в космос (земная атмосфера тоже быстро теряет водород), а кислород оказался связанным в горных породах. Правда, различие этих двух атмосфер может оказаться и более глубоким: до сих пор нет объяснения тому факту, что в атмосфере Венеры значительно больше аргона, чем в атмосфере Земли.
Поверхность Марса представляет сейчас холодную и сухую пустыню. В самое теплое время суток температура может слегка превышать нормальную точку замерзания воды, но низкое атмосферное давление не позволяет воде на поверхности Марса быть в жидком состоянии: лед сразу превращается в пар. Тем не менее, на Марсе есть несколько каньонов, напоминающих русла высохших рек. Некоторые из них, по-видимому, прорыты кратковременными, но катастрофически мощными потоками воды, тогда как другие демонстрируют глубокие овраги и разветвленную сеть долин, что указывает на вероятное длительное существование равнинных рек в ранние периоды истории Марса. Имеются также морфологические указания, что старые кратеры Марса разрушены эрозией значительно сильнее, чем молодые, а это возможно лишь в случае, если атмосфера Марса была гораздо плотнее, чем сейчас.
В начале 1960-х годов считалось, что полярные шапки Марса состоят из водяного льда. Но в 1966 Р.Лейтон и Б.Мюррей рассмотрели тепловой баланс планеты и показали, что двуокись углерода должна в большом количестве конденсироваться на полюсах, а между полярными шапками и атмосферой должен поддерживаться баланс твердой и газообразной углекислоты. Любопытно, что сезонный рост и сокращение полярных шапок приводят к колебаниям давления в марсианской атмосфере на 20% (к примеру, в салонах старых реактивных лайнеров перепады давления при взлете и посадке также составляли около 20%). На космических фотографиях полярных шапок Марса видны удивительные спиральные узоры и ступенчатые террасы, которые должен был исследовать зонд "Марс полар лэндер" (1999), но его постигла неудача при посадке.
Точно не известно, почему давление марсианской атмосферы так сильно понизилось, вероятно, от нескольких бар в первый миллиард лет до 7 мбар сейчас. Не исключено, что выветривание поверхностных пород извлекло двуокись углерода из атмосферы, связав углерод в карбонатных породах, как это произошло на Земле. При температуре поверхности 273 К этот процесс мог уничтожить углекислотную атмосферу Марса с давлением в несколько бар всего за 50 млн. лет; очевидно, оказалось весьма трудно поддерживать теплый и влажный климат на Марсе в течение всей истории Солнечной системы. Подобный процесс также влияет на содержание углерода в земной атмосфере. Около 60 бар углерода связано сейчас в карбонатных породах Земли. Очевидно, в прошлом земная атмосфера содержала значительно больше углекислого газа, чем сейчас, и температура атмосферы была выше. Основное различие эволюции атмосферы Земли и Марса в том, что на Земле тектоника плит поддерживает круговорот углерода, тогда как на Марсе он "заперт" в породах и полярных шапках.
Околопланетные кольца. Любопытно, что системы колец есть у каждой из планет-гигантов, но нет ни у одной планеты земного типа. Те, кто впервые смотрит на Сатурн в телескоп, часто восклицают: "Ну, прямо как на картинке!", видя его изумительно яркие и четкие кольца. Однако кольца остальных планет почти не видны в телескоп. Бледное кольцо Юпитера испытывает загадочное взаимодействие с его магнитным полем. Уран и Нептун окружены несколькими тонкими кольцами каждый; структура этих колец отражает их резонансное взаимодействие с близкими спутниками. Особенно интригуют исследователей три кольцевые дуги Нептуна, поскольку они четко ограничены как в радиальном, так и в азимутальном направлениях.
Большой неожиданностью было открытие узких колец Урана во время наблюдения покрытия им звезды в 1977. Дело в том, что существует немало явлений, которые всего за несколько десятилетий могли бы заметно расширить узкие кольца: это взаимные столкновения частиц, эффект Пойнтинга - Робертсона (радиационное торможение) и плазменное торможение. С практической точки зрения узкие кольца, положение которых можно измерить с высокой точностью, оказались весьма удобным индикатором орбитального движения частиц. Прецессия колец Урана позволила выяснить распределение массы внутри планеты.
Те, кому приходилось вести автомобиль с запыленным ветровым стеклом в сторону восходящего или заходящего Солнца, знают, что пылинки сильно рассеивают свет в направлении его падения. Именно поэтому трудно обнаружить пыль в планетных кольцах, наблюдая их с Земли, т.е. со стороны Солнца. Но каждый раз, когда космический зонд пролетал мимо внешней планеты и "оглядывался" назад, мы получали изображения колец в проходящем свете. На таких изображениях Урана и Нептуна как раз и были открыты неизвестные до этого пылевые кольца, которые значительно шире давно известных узких колец.
Важнейшей темой современной астрофизики являются вращающиеся диски. Многие динамические теории, развитые для объяснения структуры галактик, можно использовать и для изучения планетных колец. Так, кольца Сатурна стали объектом для проверки теории самогравитирующих дисков. На свойство самогравитации этих колец указывает наличие в них как спиральных волн плотности, так и спиральных изгибных волн, которые видны на детальных изображениях. Волновой пакет, обнаруженный в кольцах Сатурна, был приписан сильному горизонтальному резонансу планеты со спутником Япетом, который возбуждает спиральные волны плотности во внешней части деления Кассини.
Высказывалось немало догадок о происхождении колец. Важно, что они лежат внутри зоны Роша, т.е. на таком расстоянии от планеты, где взаимное притяжение частиц меньше, чем разница сил притяжения их планетой. Внутри зоны Роша из рассеянных частиц не может сформироваться спутник планеты. Возможно, вещество колец осталось "невостребованным" с момента формирования самой планеты. Но, может быть, это следы недавней катастрофы - столкновения двух спутников или разрушения спутника приливными силами планеты. Если собрать все вещество колец Сатурна, то получится тело радиусом ок. 200 км. В кольцах остальных планет вещества значительно меньше.