Ударные процессы в Солнечной системе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Лед на Луне?

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

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

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

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

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

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

Наиболее близко к южному полюсу расположена упомянутая выше диффузная структура в Море Мечты, общая площадь которой достигает 50155 км². Для того, чтобы возникла подобная альбедная аномалия, падающая комета должна была бы иметь размеры ядра около 200 км и скорость падения около 40 - 50 км/с, при скорости газо-пылевой эмиссии из ядра, равной 4,5х10^-5 г/см²с, и первоначальной плотности ядра 0,6 г/см³. Эти реальные для кометных тел параметры были определены в процессе исследования кометы Галлея космическими аппаратами "Вега" и "Джотто". Несмотря на то, что размеры ядра кометы Галлея существенно меньше (примерно 14Х7,5Х7,5 км), для моделирования общих процессов, происходящих в кометах, можно воспользоваться приведенными выше значениями.

Даже если размеры ядра гипотетической кометы будут вдвое меньше, на лунную поверхность обрушится 3,15^.10²⁰ г кометного вещества, в котором доля льда, по-видимому, составит 2,5^.10²⁰ г (80%). Энергия взрыва, соответствующая кинетической энергии падающего тела, будет равна приблизительно 10³³ эрг. Этой энергии достаточно, чтобы не только полностью испарить вещество кометного ядра, но и разрушить межмолекулярные связи. Вместе с тем, произойдет образование ударно-синтезированных газов, в числе которых будут и водяные пары.

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

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

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

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

Природа планет-гигантов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поиск по сайту: