Планета Юпитер

Если уменьшить  Юпитер до размеров вишни, то внешняя  из галилеевских лун, Каллисто, будет двигаться в 13 см от него; вдали, на радиусах 80 – 85 см, расположится 1 группа Леды, а на расстоянии 150 – 170 см — 2 группа Ананке. В реальности средние радиусы орбит 1 группы соответствуют 11,1 – 11,7 млн. км, а 2 группы — 21,2 – 23,7 млн. км. Спутники 1 группы совершают оборот вокруг Юпитера за 240 – 260 суток, а 2 группы — за 630 – 760 суток, то есть более чем за 2 года! Собственные радиусы спутников очень малы: в 1 группе — от  5 км у Леды до 85 км у Гамалии; во 2 группе — от 10 до 18 км. Они черны и неровны. Внешние спутники, входящие во 2 группу, вращаются вокруг Юпитера в обратную сторону.

Табл. 3. Спутники Юпитера.

Метис был открыт С. Ситтом (США, 1979-80). Феба была обнаружена космическим зондом "Вояджер", открыта С. Синноттом (США, 1979-80). Леда была открыта Д. Коуэлом (США, 1974). Гамалия была открыта Ч. Д. Перрайном (США, 1904). Лизифоя была открыта С. Николсоном (США, 1938). Элара была открыта Ч. Д. Перрайном (США, 1905). Ананке был открыт С. Николсоном (США, 1951). Карма была открыта С. Б. Николсоном (США, 1938). Пасифея была открыта Ф.Ж. Мелоттом (Великобритания, 1908). Синопа была открыта С. Николсоном (США, 1914).

Юпитер имеет  четыре крупных спутника — Ио, Европу, Ганимеда и Каллисто. Их орбиты расположены  между орбитами внешних и внутренних спутников. Они открыты в 1610 году Галилео Галилеем и теперь носят название галилеевских спутников. Каждый из них представляет собой плотное тело и является своеобразным миром. Некоторые основные свойства галилеевских спутников приведены в табл. 4. Уменьшение плотности от Ио к Каллисто отражает тот факт, что на Ио нет льда. Европа покрыта слоем льда толщиной 100 км, а Ганимед и Каллисто на 40% состоят изо льда. Это естественное следствие понижения температуры по мере увеличения расстояния от горячего молодого Юпитера внутри диска из газа и пыли, из которого и образовались эти тела.

Табл. 4. Основные свойства галилеевских спутников.

Рис. 17. Сопоставление размеров и моделей внутреннего строения галилеевских спутников Юпитера. Расстояния даны от центра планеты.

Ио

 Рис. 18. Снимок Ио.

Из всех открытий, сделанных за время путешествий Voyager по космосу, открытие активных вулканов на Ио является самым важным. До этого большинство ученых считали, что тела размера Ио, каменистые или ледяные, должны быть геологически мертвы, подобно спутнику Земли Луне. Это объяснялось тем, что их малые размеры не позволяют им вырабатывать достаточное количество первичного или радиогенного тепла, для того чтобы их литосфера оставалась тонкой, конвекция в мантии происходила достаточно близко к поверхности и расплавленная лава могла бы изливаться наружу.

Однако теперь установлено, что орбитальный резонанс, существующий между тремя внутренними галилеевскими спутниками, приводит к приливному нагреву. Каждый один виток завершается Ганимедом, каждые два — Европой и каждые четыре — Ио. Это означает, что спутники постоянно проходят мимо друг друга в одних и тех же точках своих орбит, а связанные с этим внутренние напряжения, испытываемые спутниками, являются источником тепла, разогревающего их внутренние части гораздо сильнее, чем это могло быть в другом случае. Наиболее сильно этот эффект сказывается на Ио, поскольку этот спутник ближе всего к Юпитеру, а следовательно, испытывает максимальные приливные силы. Ио, как и Луна, всегда обращена к Юпитеру одной стороной.

Рис. 19. Слева — извержение вулканов на Ио; высота выбросов достигает 200 км (снимок Voyager 2). Справа (для сравнения) — извержение самого крупного вулкана в Европе Этны (о. Сицилия). Снимок сделан со спутника «Тайрос» 4 августа 1979 года в инфракрасной области спектра. Протяженность облака газов и пепла около 200 км, высота выброса около 20 км. Контуры суши обведены.

На протяжении двух часов полета двух аппаратов Voyager наблюдалось несколько извержений с мощными вулканическим выбросами, причем шесть из семи вулканов, зарегистрированных первым аппаратом, продолжали действовать 4 месяца спустя, во время пролета второго аппарата. Три крупных извержения отчетливо выделяются на краях диска Ио (рис. 19, слева). Высота мощного выброса справа составляет почти 300 км, и легко подсчитать, что для этого необходима скорость на выходе из вулканического жерла около 1 км/с! Это во много раз превышает скорость и высоту выбросов при извержении вулканов на Земле, хотя при наблюдении из космоса такие события выглядят, пожалуй, не менее впечатляющими, как это показано на рис. 19 справа, на примере извержения вулкана Этна на о. Сицилия. Объясняется это в первую очередь тем, что, в отличие от Земли, у Ио очень разреженная атмосфера, поэтому продукты извержения ускоряются за счет расширения газа в вакуум. При этом очаг извержения может быть расположен на очень небольшой глубине.

Это, должно быть, величественное зрелище — фонтан газа высотой 300 км. Мощный подземный гул сотрясает почву, из жерла вулкана с огромной скоростью вылетают вместе с газом камни и после свободного безатмосферного падения с огромной высоты врезаются в поверхность во многих сотнях километров от вулкана. Из некоторых вулканических кальдер (так называются котлообразные впадины, образовавшиеся вследствие провала вершины вулкана) выплёскивается расплавленная черная сера и растекается горячими реками.

Крупнейшее  лавовое море возле вулкана Локи имеет размер 200 км в поперечнике. В центре его расположен потрескавшийся оранжевый остров из твердой серы. Черные моря Ио медленно колышутся в оранжевых берегах, а в небе над ними нависает громада Юпитера.

Что представляют собой продукты извержения, с которыми непосредственно связаны структура и цвет поверхности? Спектры отражения Ио, в которых не обнаруживается признаков воды или водяного льда, содержат вместе с тем четкие признаки серы и её соединений (это проявляется, прежде всего, как сильное уменьшение отражения в синем и ультрафиолетовом участках спектра). В пользу серы говорят и эмиссионные спектры, излучаемые веществом в окрестностях орбиты Ио, и естественно предположить, что спутник является источником этого вещества, поставляемого мощными вулканическими выбросами. Хорошо известно, что сера — в виде диоксида (ангидрида) SO₂ и сероводорода H₂S является одним из главных продуктов вулканических извержений и у нас на Земле. С учетом этих и ряда других соображений все исследователи сходятся во мнении о том, что именно сера играла и продолжает играть определяющую роль в геологии Ио и эволюции поверхности этого спутника.

Большое количество серы могло накопиться за геологическую  эпоху в поверхностном слое, поверх силикатной коры. Толщина этого слоя оценивается от   3 – 4 до 20 – 30 км. Поднимаясь из глубины, жидкая магма из-за большей, чем у серы, плотности вряд ли достигает поверхности (подобно большинству извержений подводных вулканов на Земле), а взаимодействуя  с отложениями серы и сернистого ангидрида, приводит к их испарению. Расширяющийся газ вырывается в космос, увлекая за собой потоки жидкой серы. При охлаждении сера и сернистый ангидрид конденсируются на поверхности, создавая яркую окраску: красный и красновато-желтый цвета принадлежат сере (в частности, её пурпурной модификации S₂, образующейся при замораживании сильно нагретых паров серы), белые пятна — это снег из сернистого ангидрида, а черные пятна — вулканический пепел. В более глубоких слоях могут отлагаться соединения типа сульфидов магматогенного происхождения.

Независимо  от того, насколько реалистична такая  модель, одно остается бесспорным: среди  объектов Солнечной системы (по крайней  мере, тех, чьи поверхности удалось  увидеть) Ио оказалась рекордсменом по вулканической активности, что ещё совсем недавно вряд ли кто-нибудь мог предположить. Это пока единственный (кроме, конечно, Земли) пример широко развитого вулканизма, к тому же, продолжающегося непрерывно и превосходящего по своей интенсивности вулканическую деятельность на Земле.

На маленькой  по сравнению с земными планетами  Ио (по своим размерам она почти  такая же, как Луна) обнаружено свыше 100 вулканических кальдер, поперечником до 200 и более километров, то есть в 10 – 100 раз превосходящих земные! Вокруг многих видны потоки вытекающей или застывшей лавы протяженностью в несколько сотен километров и шириной в десятки километров, что также во много раз превосходит привычные земные масштабы. Правда, сами вулканы сравнительно невысокие, больших перепадов высот на поверхности Ио, где преобладают вулканические равнины, нет. Только в полярных областях встречаются отдельные горы высотой до 10 км. В целом же рельеф сглаженный, и одновременно не обнаруживается выходов скальных пород. Всё это, казалось бы, благоприятствует гипотезе, согласно которой у Ио очень тонкий верхний слой затвердевшей коры, под которой находится расплавленная сера.

Вместе с  тем встречающиеся на межвулканических равнинах отдельные холмы заметной величины и глубокие впадины нельзя объяснить в рамках такой модели. Поэтому скорее следует говорить об отдельных областях расплава, подповерхностных «серных морях», с температурой не ниже +110°С, при которой сера плавится. Сама же температура поверхности в районе экватора составляет       - 140°С, а в полярных областях ещё на градусов 50 ниже. Лишь в локальных участках, ассоциируемых с вулканической деятельностью, обнаружена температура +10°С, то есть на 150° выше средней поверхностной температуры. При столь низкой температуре пары серы, вырываясь на поверхность, очень быстро охлаждаются, что и объясняет образование её красной модификации в вулканических отложениях, помимо двух наиболее распространенных в земных условиях аллотропических модификаций лимонно-желтого и медово-желтого цвета.

Наличие вулканической активности и отсутствие на поверхности ударных кратеров крупнее 1 – 2 км свидетельствует о том, что поверхность Ио очень молодая, её возраст, очевидно, не превышает миллиона лет. На рис. 20 показан участок поверхности вблизи южного полюса, на котором хорошо видны отдельные расщелины и сбросы, а также несколько равнинных областей, расположенных на разных уровнях, с наиболее возвышенной частью в левом верхнем углу. Равнинные области отделены друг от друга эскарпами, возможно, образовавшимся в процессе остывания лавы (в том числе подповерхностного расплава серы) и последующей эрозии. Эти, а также полярные районы с тектоническими трещинами и грабенами, очевидно, представляют собой относительно старые участки коры, в наименьшей степени измененные современным вулканизмом. Тем не менее и они содержат указания на его определяющую роль в эволюции поверхности в глобальном масштабе и одновременно свидетельствуют о слабой степени эрозии, что служит дополнительным подтверждением предела ранее сделанной оценки возраста.