Солнечная система (Астрономия и астрофизика): читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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.

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, 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 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.

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.