Удивительная Солнечная система - Александр Громов

По всей видимости, в относительно тонкой, не превышающей, скажем, радиуса Земли атмосфере Урана и Нептуна газ с увеличением глубины довольно быстро становится жидкостью, чему немало способствуют низкие температуры. Ниже располагается толстая ледяная мантия, состоящая преимущественно из метана и аммиака в твердой фазе, а в центре находится ядро из горных пород, несколько большее Земли по размерам. В центре Урана держится температура порядка 10–12 тыс. К при давлении 5,5–6 Мбар; в центре Нептуна – 12–14 тыс. К и 7–8 Мбар.

Как видим, называть Уран и Нептун газовыми планетами мы можем лишь с изрядной долей условности. Правильнее было бы назвать их каменно-ледяными, поскольку очень заметная часть их массы пребывает не в газовой фазе. И возникает вопрос: если бы по каким-то причинам из первичных рыхлых планетоидов, притягивающих к себе вещество газово-пылевого протопланетного диска, образовались бы не Уран и Нептун, а несколько десятков или сотен тел помельче, то на что бы они были похожи?

Ответ ясен: на тела пояса Койпера. В таком случае пояс Койпера начинался бы не от орбиты Нептуна, а гораздо ближе к Солнцу. Конечно, из-за инсоляции состав льдов у ближайших к Солнцу тел был бы несколько иным, но это уже частности.

9. Свита «больших господ»: спутники

Начнем с Луны. Изучая распределение пыли возле других звезд, некоторые астрономы пришли к выводу, что наличие крупного спутника у землеподобной планеты – большая редкость во Вселенной. Так это или нет, установить пока трудно, поэтому мы просто будем опираться на факт: у нас есть Луна. Выше о ней уже было сказано несколько слов, в том числе о ее движении, объяснение которого оказалось труднейшей задачей небесной механики. На движение Луны оказывают влияние Земля и земные приливы, Солнце и солнечные приливы, планеты и даже эффекты общей теории относительности. Последние приводят к «гулянию» Луны по орбите с амплитудой порядка метра – величина, конечно, ничтожная, но вполне измеримая (и измеренная).

Среднее расстояние от центра Земли до центра Луны равно 384 400 км и меняется вследствие эллиптичности лунной орбиты от 356 410 до 406 700 км. Эллиптичность лунной орбиты долгие столетия была на руку астрономам, так как Луна была бы обращена к Земле строго одной стороной лишь при абсолютно круговой орбите. Реальная, эллиптическая орбита Луна заставляет наш естественный спутник как бы «покачиваться», слегка поворачиваясь к нам то одним, то другим боком. Это явление называется либрациями Луны. Либрация может достигать почти 8° по экватору и почти 7° по меридиану. Из-за либраций мы можем наблюдать с Земли не 50 % лунной поверхности, а около 60 %, но, разумеется, не одновременно.

Приливные силы приводят к крайне медленному удалению Луны от Земли. Когда остановится это движение? Ответ ясен: когда Луна и Земля будут находиться в полном резонансе, то есть когда Луна не только будет повернута к Земле одной стороной, как уже сейчас, но и период обращения Луны вокруг Земли станет в точности равен земным суткам. Иными словами, Луна когда-нибудь мертво зависнет над одной точкой земной поверхности, будучи по-прежнему повернута к Земле одной стороной. Произойдет это еще нескоро, спустя как минимум два-три миллиарда лет. Расстояние от Земли до Луны составит тогда примерно 650 тыс. км, а вращение Земли затормозится настолько, что сутки будут длиться более 2 месяцев.

И наступит строгая резонансная упорядоченность? Ничуть не бывало: просто земные приливы перестанут действовать на Луну. Но останутся приливы солнечные, более слабые, чем земные, но все же заметные на больших промежутках времени, когда нет других возмущающих сил. Под действием солнечных приливов Луна начнет понемногу приближаться к Земле, и остановить ее движение, которое будет длиться опять-таки миллиарды лет, не сможет уже ничто. Кончится тем, что Луна упадет на Землю, – хотя весьма вероятно, что к тому времени Солнце, превратившись в красный гигант, избавит нашу планету от этой проблемы.

Однако перейдем к более тесному знакомству с Луной как космическим телом. Диаметр (средний экваториальный) Луны равен 3478,8 км, что составляет 27,24 % диаметра Земли. При этом Земля в 81,3 раза массивнее, что сразу указывает нам на меньшую среднюю плотность Луны по сравнению с Землей. И действительно, средняя плотность Луны составляет всего 3,34 г/см3. Если принять гипотезу о формировании Луны из обломков молодой Земли, выброшенных на орбиту вследствие столкновения с крупным планетоидом, то малая плотность Луны легко объяснима: гравитационная дифференциация вещества Земли началась уже на этапе «слипания» первичных планетезималей и успела несколько продвинуться за те 60 млн лет, что прошли (согласно оценкам) между началом существования Земли как планеты и столкновением с планетоидом. Безусловно, процесс гравитационной дифференциации вещества Земли был еще весьма далек от завершения – он и сейчас еще не завершен, – однако очень молодая Земля к моменту удара, по-видимому, уже не была однородной, а имела градиент плотности по радиусу, проще говоря, плотность вещества

Земли увеличивалась с глубиной. Удар выбил вещество преимущественно из мантии, не затронув формирующегося ядра. Разумеется, это мантийное вещество все-таки было обогащено железом. Некоторое представление об этом веществе могут дать современные метеориты из класса хондритов – силикаты, нашпигованные железными «каплями». Этого железа хватило, чтобы у Луны с течением времени сформировалось собственное железное ядро.

(Впрочем, необходимо еще раз подчеркнуть: гипотеза о формировании Луны вследствие соударения Земли с крупным планетоидом – все-таки лишь гипотеза. Альтернативную гипотезу о самостоятельном формировании Луны из вещества протопланетного диска пока ни в коем случае не следует считать отброшенной.)

Так или иначе, Луне досталось меньше элементов группы железа, чем Земле. Соответственно, ее железное ядро относительно меньше и легче, чем ядро Земли. И масса, общая масса и размеры Луны! Конечно, движение мантийного вещества происходило на Луне медленнее, чем на Земле, но ведь и сама Луна меньше! Итог: процессы гравитационной дифференциации вещества на Луне уже фактически закончились, и сегодняшняя Луна считается тектонически пассивным космическим телом. Правда, при этом обычно забывают добавить: «По сравнению с Землей». Ведь даже если гравитационная дифференциация ныне уже не идет, то ведь существует еще радиоактивный распад некоторых элементов, а он, будучи спонтанным процессом, разумеется, не подстраивает свою скорость под массу космического тела. Так что выделение некоторого количества тепла в недрах Луны еще продолжается. На лунной поверхности обнаружено более 400 «теплых пятен», причем некоторые из них на 50° теплее окружающей местности. Не раз на поверхности Луны наблюдались кратковременные явления (темные пятна, дымки, свечения), некоторые из них можно трактовать как выбросы вулканических газов. Правда, с Земли зафиксировать такое явление удалось лишь однажды, в 1958 году.

Иное дело – космические аппараты. Прибор для измерения концентрации лунной атмосферы[18], оставленный на поверхности Луны экспедицией «Аполлон-14», спустя около двух недель после отлета астронавтов зафиксировал четыре загадочных газовых облака. По скорости роста концентрации атмосферы специалистам удалось оценить расстояние до ближайшего источника выделения газа (несколько километров) и массу выброшенного вещества (10 кг). Масса как будто ничтожная, но она есть! А значит, геологически Луна все-таки не вполне пассивна – правда, она гораздо спокойнее Земли, но все же еще не до конца успокоилась. Зафиксированные лунотрясения только подтверждают такой вывод. Правда, большинство лунотрясений носит приливной характер и наблюдается во время прохождения Луной апогея и перигея своей орбиты.

Из чего же состоит Луна?

В разрезе это примерно такой же «слоеный колобок», как Земля, но, разумеется, с иными числовыми данными. Лунная кора толще земной: 60 км на видимой стороне Луны и свыше 100 км на обратной. Глубже располагается верхняя мантия мощностью 800 км, где фиксируются глубокофокусные лунотрясения, под ней до глубины 1400–1500 км лежит частично расплавленная нижняя мантия, а еще глубже – ядро, состоящее из железа с примесью других металлов.

Ядро Луны, в отличие от земного ядра, не делится на внешнее и внутреннее. Оно едино и находится в твердой фазе. Как следствие, у Луны нет глобального магнитного поля, аналогичного земному. Оно существовало у Луны 3,6–3,9 млрд лет назад, но сейчас магнитные свойства нашего естественного спутника связаны лишь с остаточной намагниченностью лунных горных пород. Правда, считается, что ядро Луны должно было остыть до затвердения свыше 4 млрд лет назад. В качестве объяснения такого несоответствия предлагается гипотеза повторного разогрева лунного ядра радиоактивным распадом урана и тория, которые в большом количестве входили в 200-километровое «одеяло» из тяжелых горных пород, окружившее ядро. Однако через несколько сотен миллионов лет разогрев «одеяла» привел к повышению его плавучести, и «одеяло» было сорвано с ядра, что дало тому возможность наконец-то отвердеть. Так это или нет, пока не вполне ясно, но факт есть факт: у Луны нет жидкого ядра, которое могло бы продуцировать магнитное поле, зато есть слой расплавленной мантии, которая не дает сейсмическим волнам свободно проходить сквозь глубинные слои Луны.