Планета Юпитер

 

 

Рис. 20. Участок поверхности Ио вблизи южного полюса. Видна широкая долина, с крутыми откосами; внутри её система эскарпов и ущелий (снимок Voyager 1)

 

Рис. 21. Снимок Ио, сделанный зондом Galileo 28 июня 1997 года. На снимке видны два вулканических плюмажа. Высота одного составляет 140 км. Это вулкан Пиллан Патера. Другой плюмаж вулкана Прометей снят непосредственно сверху и расположен почти в центре диска. Он же показан с увеличением в верхнем левом углу снимка. Голубоватое кольцо — это внешняя граница плюмажа. Тень, отбрасываемая им на поверхность спутника, имеет красноватый цвет.

 

На Ио одновременно извергается не менее 12 вулканов. Они  обнаружены по «плюмажу извержения», то есть по выбросу диоксида серы, поднимающемуся над поверхностью на 100 – 400 км (рис. 21), или по инфракрасному выявлению горячего пятна. Зафиксирована максимальная температура 1400°С.

Плотность Ио чуть больше плотности Луны. Очевидно, что  Ио состоит преимущественно из кремния, подобно планетам земного типа. Гравитационные и магнитные наблюдения, проведенные Galileo, подтверждают, что у Ио имеется плотное, железистое ядро, скрытое под каменистой мантией. Спектральные данные показывают, что её поверхность покрыта серой, замерзшим диоксидом серы и другими серными соединениями. Однако это всего лишь тонкий, летучий слой, существование которого связано с вулканической активностью. Кора планеты в целом сформирована из кремниевых скал.

Атмосфера Ио состоит  из диоксида серы, атомного кислорода, натрия и калия. Давление на поверхности  составляет менее одной миллионной доли давления Земли, но оно почти  в миллиард раз больше, чем атмосферное давление на Луне или Меркурии. Атмосфера Ио постоянно утекает в космос, создавая «облако» из натрия и калия, которое тянется к Юпитеру и магнитно заряженному поясу ионизированной серы, который окружает Юпитер. Атмосфера восстанавливается за счет вулканической активности и столкновения с поверхностью Ио высокоскоростных ионов, излучаемых магнитным полем Юпитера. Когда Ио проходит в тени Юпитера, её атмосферу можно наблюдать в виде своеобразного «сияния», которое вызвано теми же проникающими в неё магнитосферными ионами (рис. 22).

 

Рис. 22. Слева: видимое сияние над ведущим полушарием Ио вызвано взаимодействием атмосферы с высокоскоростными ионами, излучаемыми магнитным полем Юпитера. Более яркое свечение связано с вулканическими плюмажами извержения, поскольку там атмосфера является наиболее плотной. Этот снимок сделан Galileo, когда Ио находилась в тени Юпитера, в мае 1998 года. Справа: то же самое полушарие, освещенное Солнцем. На снимок наложены линии долготы и широты (0° долготы — в центре той стороны спутника, которая обращена к Юпитеру; 90° долготы — в центре ведущего полушария).

 

Поверхность Ио представляет собой результат вулканической  активности (рис. 23). На ней наблюдаются потоки лавы длиной до нескольких сотен километров и огромные плоские равнины, покрытые осадками от плюмажей извержения. Большинство лавовых потоков сформировались из расплавленных кремниевых скал, которые часто обесцвечиваются в результате покрытия их серной пылью. Впрочем, некоторые потоки сформированы из чистой расплавленной серы.

 

Рис. 23. 1500-километровый участок поверхности Ио, снятый Galileo в ноябре 1996 года. Огромные темные лавовые потоки, преимущественно кремниевые по составу, занимают верхнюю левую часть снимка. Два темных пятна в нижней левой части и одно в правой — вулканические отверстия, которые в инфракрасном излучении темнеют, поскольку их температура очень высока. Небольшой лавовый поток в белом квадрате внизу показан в увеличенном виде. Этот поток из вулкана Замама не показан на снимках, сделанных Voyager. Он возник в период между 1979 и 1996 годами.

 

Вулканы на Ио поднимаются  выше среднего уровня равнины. Порой  они обрушиваются, и тогда на поверхности  образуются глубокие впадины, называемые кальдерами. Обрушение вулканов обусловлено истечением магмы и образованием пустот. Кратеров воздействия на Ио не замечено, поскольку извержения вулканов выносят на поверхность свежие материалы с такой скоростью, что она каждый год становится толще на 1 сантиметр.

На Ио сегодня  обнаружено свыше 500 вулканов. Около ста извергались во время съемок с Voyager и Galileo. Некоторые извержения замечены во время изучения Ио с помощью телескопов. Большая продолжительность миссии Galileo позволяла зафиксировать множество изменений, происходящих на поверхности Ио (рис. 24). Вулканы Ио распределены по поверхности планеты случайным образом. На ней нет четко выраженных областей вулканической активности, как на Земле. В отличие от Земли, которая избавляется от накопленного внутреннего тепла с помощью движения тектонических плит, и Венеры, где тепло выходит каждые полмиллиарда лет в результате глобальной катастрофы, тепло Ио выделяется с помощью вулканов.

 

Рис. 24. Внизу: 1200-километровый участок поверхности Ио. Снимки сделаны Galileo 4 апреля 1997 года (слева) и 19 ноября 1997 года (справа). В этот период короткоживущий высокотемпературный плюмаж извержения образовался на вулканической области Пиллан Патера (см. рис. 21). Вокруг вулканического отверстия возникло 400-километровое пятно темного вещества, что и различает два этих снимка. Более светлое 1000-километровое кольцо на левом снимке — граница плюмажа долгоживущего извержения вулкана Пеле. Вверху: увеличенное изображение отмеченной области. Виден 7-километровый участок поверхности, покрытый лавой. Снимок сделан Galileo с расстояния 617 км во время пролета мимо Ио 10 октября 1999 года.

 

Раньше считали, что Ио потерял воду в отдаленную эпоху вследствие максимального  разогрева за счет радиогенного тепла  в его недрах, сложенных силикатными  породами. Действительно, для тела таких размеров, как Ио, любой реально допустимый запас долгоживущих радиоизотопов должен был исчерпаться в сравнительно ранний период тепловой эволюции. Тем удивительнее было обнаружение на Ио исключительно сильной вулканической активности в современную эпоху. На её вероятный источник указали известный американский планетолог С.Пил и его сотрудники, опубликовавшие свою работу буквально за несколько дней до пролета первого Voyager'а!

Один из факторов, определяющих различие между Землей и Ио, заключается в том, что для поддержания стабильного состояния Ио должна терять тепло со скоростью примерно 2,5 ватта на квадратный метр, в то время как на Земле эта скорость составляет всего 0,08 ватта. Возможно, приливный нагрев, испытываемый Ио, позволяет поддерживать значительную часть её мантии в частично расплавленном состоянии.

Очевидно, если бы на месте Ио оказался другой объект, сложенный в основном льдом, то из-за быстрой потери легколетучих элементов  от него бы очень скоро ничего не осталось. Возможно, что таким путем исчезали ледяные тела, испытавшие аналогичные эффекты вблизи Юпитера или других планет-гигантов.

 

Европа

 Рис. 25. Снимок Европы.

 

При всей значимости Ио её соседка Европа привлекает не меньший интерес ученых. Европа —  это мир в переходном состоянии. Плотность её практически соответствует плотности планеты земного типа, но поверхность покрыта слоем льда толщиной примерно 100 км. Неизвестно, является ли лед твердым или его нижняя часть находится в жидком состоянии, что позволяет предположить возможность наличия глобального океана, скрытого между толстым слоем твердого льда и каменистой поверхностью самой планеты. Гравитационные данные, полученные Galileo, показывают, что Европа имеет плотное, скорее всего железистое ядро, радиус которого составляет примерно 620 км. Оно скрыто под каменистой мантией. Европа обладает собственным магнитным полем, но не ясно, генерируется ли оно процессами конвекции, проистекающими в жидком ядре или в соленом океане, скрытом под ледяной коркой.

Поверхность Европы обладает высокой отражательной способностью. Её альбедо составляет около 0,7. Еще в 50-е годы ХХ века с помощью спектроскопических исследований было установлено, что планета покрыта слоем чистого водяного льда. Более детальные исследования, проведенные с помощью Galileo, радиотелескопа Hubble, показали, что на ней имеются участки соленого льда, а также выявили присутствие молекулярного кислорода (О₂) и озона (О₃). Кислород и озон, скорее всего, образовались в результате расщепления молекул воды во льду из-за воздействия ультрафиолетового излучения Солнца и заряженных частиц. Высвобождаемый в процессе расщепления водород немедленно улетает в космос, что замечено на Ганимеде (хотя и не на Европе). Неизвестно, удерживаются ли кислород и озон, обнаруженные на Европе, в её разряженной атмосфере или преимущественно содержатся внутри льда.

Рис. 26. Снимок части поверхности Европы, сделанные Voyager 2. Яркие равнины занимают большую часть поверхности. Пятнистые же территории сосредоточены в нижнем правом углу снимка.

 

Поверхность Европы является самой гладкой из известных в Солнечной системе и значительно более молодой («всего» 100 млн. лет), чем у других ледяных спутников, если судить по расположению кратеров воздействия. Это говорит о том, что она испытывает значительное влияние приливного нагрева, хотя и меньшее, чем Ио. Максимальные вариации рельефа оцениваются не в километры, а в десятки метров — и это в глобальном масштабе, для тела, диаметр которого всего лишь на 350 км меньше, чем у Луны! Именно такую высоту (порядка 50 м) имеют различающиеся на поверхности цепи холмиков и пригорков, в то время как отдельные детали рельефа на поверхностях Ганимеда и Каллисто достигают по крайней мере в 10 раз большей высоты. Совершенно не видно на поверхности Европы кратеров, во всяком случае кратеров крупнее 5 км в диаметре, что приводит к представлениям о её сравнительно недавнем формировании. Ученые нашли на Европе только пять кратеров диаметрами 10 – 30 км. Ещё одним феноменом этого спутника оказалось наличие большого количества линейных структур — пересекающихся под разными углами полос, буквально изрезавших его поверхность и протянувшихся в разных направлениях на сотни и тысячи километров, (рис. 26) иногда охватывающих половину окружности (около 5000 км). Ширина этих полос в среднем несколько десятков километров, но местами доходит до 200 – 300 км, а глубина обычно не превышает нескольких сотен метров.

Что обусловило их образование? Из анализа спектров отражения галилеевских спутников  было высказано предположение о  наличии на поверхности Европы и Ганимеда водяного льда. Измерения с космических аппаратов подтвердили правильность этого предположения. Средняя температура на Европе - 150°С. При такой температуре поверхность, конечно, является полностью замерзшей. Объяснение удивительной гладкости поверхности Европы и обилия нитевидных полос можно найти в рамках модели, согласно которой слой льда простирается на довольно большую глубину. Твердая ледяная корка, очевидно, лежит только на самой поверхности, которая покоится на гораздо более протяженном слое, состоящем из смеси сравнительно рыхлого «губчатого» льда с водой. Такая смесь называется «шуга» и известна на Земле.

Оба слоя — шуга и ледяной покров — составляют своеобразную верхнюю оболочку Европы, максимальная толщина которой оценивается примерно в 100 км. Под шугой, возможно, скрыты значительные вариации высот на поверхности, представляющей собой твердое силикатное вещество, подобно тому, как земные океаны полностью нивелируют рельеф дна. Только на Европе шугу скорее следует уподобить собственно коре, а не гидросфере.

Нитевидные  полосы на поверхности — это не что иное, как трещины в верхнем  отвердевшем слое льда, возникающие  под действием внутренних напряжений, создаваемых расширением и сжатием  шуги. При образовании трещин может  происходить оседание льда, его смещение, поднятие шуги на поверхность и её замерзание. Заполнение трещин свежим рыхлым (а значит, и менее плотным) льдом легко объясняет возникновение белых полос на фоне грязноватой поверхности льда, а темные полосы, возможно, образуются там, где вместе со льдом на поверхность выходит темное вещество с большей глубины. Сопровождающие эти процессы смещения крупных массивов льда типа движений ледников должны приводить к стиранию неоднородностей рельефа поверхности, в частности к исчезновению больших кратеров ударного происхождения, что и объясняет факт их отсутствия. Видимо, временная шкала этих процессов составляет от единиц до нескольких десятков миллионов лет, если принять во внимание число сохранившихся на отдельных участках поверхности кратеров небольших размеров.

 Снимки, сделанные аппаратами Voyager (подобные рис. 26), показывают яркие равнины, пересеченные трещинами, заполненными более темным льдом. В некоторых местах поверхность этих равнин становится пятнистой, что также видно на снимке.

Снимки высокого разрешения, полученные с Galileo, показывают, что яркие равнины при детальном рассмотрении оказываются весьма сложными (рис. 27). Они состоят из прямых и слегка изогнутых гребней, каждый из которых обычно имеет центральные желобок. Поверхность этих частей Европы напоминает поверхность клубка ниток — описание точное, но не помогающее понять, каким же образом такая поверхность образовалась. Вероятно, каждый гребень с внутренним желобком представляет собой трещину, которая возникла в момент извержения, когда ледяная лава истекала из вулкана.

Словосочетание  «ледяная лава» выглядит странно, хотя лед Солнечной системы обладает многими важными свойствами, характерными для кремниевых скал, которые расплавляются  в лаву на планетах земного типа. Если этот лед не состоит только из воды, он обладает следующими свойствами:

• может существовать в твердом состоянии как  взаимосовмещенные кристаллы различного состава;
• обладает плотностью и прочностью камня в доминирующих поверхностных условиях, но в то же время может медленно течь и выступать в роли астеносферы на глубине;
• может частично расплавляться, причем расплав будет отличаться по составу от первичных материалов.

Рис. 27. 15-километровый участок поверхности Европы, снятый Galileo. Мы видим сложную систему трещин на ярких равнинах спутника. Относительно ровная поверхность в нижней трети снимка — это темная трещина на снимке, сделанном Voyager, но при большем разрешении. Поверхность выглядит яркой и ровной. Большой гребень, заметный в нижнем правом углу, имеет высоту 300 м. В центре заметен кратер воздействия диаметром 300 м и несколько более мелких. По стандартам Солнечной системы поверхности Европы  должно быть по меньшей мере несколько миллионов лет.