Курс общей астрономии

вода. Может быть, в эти периоды текла река, оставившая русло, изображенное на рис. 173. Во время полета американских и советских космических станций вблизи Марса были проведены эксперименты по просвечиванию его атмосферы радиоволнами, такие же, как при исследовании Венеры (см. § 135). Они позволили определить атмосферное давление и температуру на высоте < 40 км и, кроме того, электронную концентрацию в ионосфере планеты. Максимум ионизации был найден на высоте 120 км, где электронная концентрация на дневной стороне планеты равна 105 см -3, т.е. на порядок меньше, чем в земной ионосфере. Теперь, когда мы изложили основные наблюдательные данные о поверхности и атмосфере Марса, рассмотрим возможные объяснения периодических сезонных изменений в темных областях, связанных по времени с таянием полярной шапки. Одно из них состоит в том, что весной, когда начинается сублимация полярных шапок, грунт оттаивает, увеличивается влажность. С течением времени этот процесс оттаивания распространяется все дальше к экватору, вызывая потемнение морей и оазисов. Если процессы потемнения связаны с увеличением влажности грунта, то здесь имеются две возможности: 1) темные области заняты растительностью, которая подобно земной с наступлением весны вступает в активную фазу благодаря увеличению температуры и влажности; 2) темные области покрыты каким-либо минеральным материалом, темнеющим при увеличении температуры или влажности. Однако периодический процесс потемнения может быть вовсе не связан с влажностью. Например, он может быть вызван периодическими сезонными изменениями в направлениях ветров. Весной ветер уносит из морских областей более мелкие частицы, и моря темнеют, осенью происходит перемещение мелких частиц и обратном направлении. Давно отмечалась способность темных областей к восстановлению. На Марсе часто бывают пылевые бури, которые, казалось бы, должны были давно засыпать моря. Ничего подобного не происходит. Вскоре после окончания пылевой бури контраст темных областей полностью восстанавливается. Это свойство легко объясняется, если предположить, что темные области покрыты растительностью. Но опять-таки, если принять, что моря - это области, из которых более мелкие частицы легко выдуваются ветром, восстановление контраста можно объяснить и без привлечения гипотезы о растительности. �так, явления, которые могут рассматриваться как указание на деятельность марсианской биосферы, это: 1) периодические сезонные изменения темных областей; 2) связь периодических сезонных изменений темных областей с сублимацией полярных шапок; 3) способность темных областей к регенерации (восстановлению контраста). Все они, как мы видели, могут иметь объяснение, весьма далекое от биологических процессов. Малое атмосферное давление и огромные суточные колебания температуры (не менее 100°) заставляют многих исследователей отрицательно относиться к возможности существования биосферы на Марсе. С другой стороны, известна и огромная приспособляемость живых организмов. В земной почве находятся микроорганизмы (анаэробные бактерии), способные переносить низкие давления и температуру и не нуждающиеся в кислороде. Поэтому поиски живых организмов на Марсе не представляются полностью безнадежным делом. Такие поиски будут, видимо, производиться с помощью АМС, способных производить мягкую посадку на марсианскую поверхность. Марс имеет двух спутников, Фобоса и Деймоса, которые были открыты американским астрономом Холлом в 1877 г. Они очень близки к планете и слабы (+11m ,5 и +12m,5), наблюдать их поэтому трудно. Фобос находится на расстоянии 2,77 радиуса планеты от ее центра и его период обращения 7h 39m 14s, т.е. значительно меньше периода вращения Марса. В результате Фобос восходит на западе, несмотря на то, что направление обращения его прямое. Деймос обращается на среднем расстоянии в 6,96 радиуса планеты, с периодом 30h 17m 55s. На рис. 177 приведена фотография Фобоса, полученная с борта "Маринера-9". Его поверхность значительно сильнее испещрена кратерами, чем марсианская, из-за полного отсутствия атмосферной эрозии. Оба спутника имеют неправильную форму. Размеры Фобоса около 22-25 км в поперечнике, Деймоса - около 13 км. Четыре планеты земной группы имеют много общего в своих характеристиках. Почти все вещество сосредоточено в литосфере. Массы находятся в пределах от 1,5Ч10-7 до 3 Ч 10-6 M¤ и радиусы, примерно, от 3,5Ч10-3 до 9,0Ч10-3 R¤. Средние плотности лежат в еще более узких пределах - от 4,0 (Марс) до 5,4-5,5 г/см3 (остальные три планеты). По-видимому, в недрах всех планет этой группы имеется химическая дифференциация: тяжелые элементы (в частности, Fe) концентрируются к центру, легкие и вместе с тем более легкоплавкие - в наружных оболочках; кора и мантия состоят из силикатных пород. Возможно, все четыре планеты обладают жидким ядром. По крайней мере на двух планетах (Земля и Марс) имеются вулканы. На поверхности всех четырех планет имеются в тех или иных масштабах следы тектонической деятельности (процессов горообразования). Все подвергались сильной метеоритной бомбардировке, которая явилась одним из основных факторов в формировании поверхности Марса и Меркурия. На Земле метеоритные кратеры почти целиком стерты тектоническими и эрозионными процессами, на Венере они, по-видимому, сохранились гораздо лучше. Единственным энергетическим источником, определяющим температуру и климат планет земной группы, является солнечное излучение. Поток внутреннего тепла пренебрежимо мал по сравнению с потоком солнечного излучения.

Рис. 177. Спутник Марса Фобос, сфотографированный с расстояния около 5000 км телевизионной камерой "Маринера-9".

Три планеты из четырех имеют атмосферу. Венера и Марс по составу атмосферы похожи: углекислый газ является главной составляющей в обоих случаях, но количества его очень разные. Состав земной атмосферы совсем другой: азот, кислород, углекислого газа очень мало, и, кроме того, у Земли имеется гидросфера - огромное количество воды (которой, наоборот, очень. мало на Венере и Марсе). Различия велики, но есть очень важные общие черты: легкие газы - водород и гелий, наиболее обильные элементы (входящие в состав Солнца, звезд и межзвездного газа) присутствуют только как малые составляющие; все газы, которые являются основными компонентами атмосфер - (СO2 , N2) и вода оказываются продуктами газовыделения вулканов. Кислород на Земле является вторичным продуктом, возникшим при разложении H2O в результате фотохимических и биологических процессов. Современные атмосферы планет земной группы (и гидросфера Земли) определенно имеют вторичное происхождение - в том смысле, что они были выделены литосферой уже после того, как она сформировалась. Первичная атмосфера, состоявшая главным образом из легких газов, оставшихся от протопланетной туманности, могла сохраниться (если такая атмосфера вообще существовала) лишь очень короткое время и должна была быстро диссипировать. Количество СО2 и N2 , выделившееся за время существования планет (4,5Ч109 лет), примерно одинаково на Земле и на Венере, а воды, по-видимому, выделилось гораздо больше на Земле. Жидкая вода очень хорошо растворяет СО2 и переводит в карбонатные породы. Гидросфера на Земле удалила в результате почти весь углекислый газ, а на Венере она не образовалась, и СО2 полностью остался в атмосфере. На Марсе общая скорость газовыделения, видимо, на два порядка меньше, чем на Венере, и, кроме того, основная часть выделившегося количества СО2 и Н2О связана в полярных шапках и в грунте (в результате процессов адсорбции и образования вечной мерзлоты). Практически полностью лишен атмосферы Меркурий. Между тем ускорение силы тяжести на его поверхности почти такое же, как у Марса, и он мог бы, вероятно, удержать СО2, если бы его накопилось столько же, сколько на Марсе. Многое в. процессах формирования и эволюции планетных атмосфер еще не понято, это одна из интереснейших проблем физики планет, разработка которой только начинается. Заметим, что она имеет определенное практическое значение, так как должна дать прогноз дальнейшей эволюции атмосферы и климата Земли.

§ 137. Юпитер

Юпитер - самая большая планета Солнечной системы. Его масса в 318 раз больше земной и составляет около 1/1050 массы Солнца. Экваториальный радиус Юпитера равен 71 400 км (в 11,2 раза больше земного). Точность, с которой определен радиус Юпитера, невелика. Ошибка может достигать нескольких сотен километров. Полярный радиус заметно меньше экваториального и равен 66 900 км, т.е. сжатие планеты e = 1/16. Гравитационное ускорение около 2500 см/сек2. Средняя плотность 1,3 г/см3 Угловой диаметр Юпитера - около 40". На диске видно множество деталей (рис. 178 и 179), но среди них нет ни одной постоянной. Есть некоторое число деталей, которые наблюдаются в течение столетий, но их положение и вид изменяются. Это означает, что видимая поверхность Юпитера представляет собой облачный покров. Наиболее заметны темные красноватые полосы, вытянутые параллельно экватору. Светлые промежутки между ними называются зонами. Зоны и полосы расчленяются на отдельные пятна различного вида и формы. В 1878 г. на широте -20° было обнаружено образование, названное позднее Красным пятном, занимавшее по долготе 30°. Впоследствии оно уменьшало свою интенсивность, затем несколько увеличивало, но всегда оставалось более слабым, чем в момент открытия. Его можно видеть и сейчас, а просмотр старых зарисовок показал что его наблюдали еще в XVII в., не обращая на него особого внимания. Период вращения, определенный по движению деталей, которые расположены на разных широтах, оказывается различным, аналогично тому, как это имеет место на Солнце. Период вращения увеличивается с ростом широты. На широте Красного пятна он на 5m10s,6 больше, чем на экваторе. Разные образования расположены, по-видимому, на различных высотах, и бывают случаи, когда наблюдается прохождение одного объекта над другим. В связи с различной скоростью вращения на разных широтах для указания положения тех или иных деталей на Юпитере применяется две системы долгот: система долгот I, с периодом вращения 9h 50m 30s для экваториальных областей; система долгот II, с периодом 9h 55m 40s для средних широт. Система долгот II соответствует средней скорости вращения Красного пятна, однако истинная скорость вращения Красного пятна не постоянна, и оно испытывает в системе II вековые смещения неправильного характера. Полосатая структура диска Юпитера является следствием преимущественно зонального (т.е. ориентированного вдоль

параллелей) направления ветра в атмосфере Юпитера. Механизм, который приводит в действие общую циркуляцию на Юпитере, такой же, как на Земле (см. § 130): разность в количестве тепла, получаемого от Солнца на полюсах и экваторе, вызывает возникновение гидродинамических потоков, которые отклоняются в зональном направлении кориолисовой силой. При таком быстром вращении, как у Юпитера, линии тока практически параллельны экватору. Картина усложняется конвективными движениями, которые наиболее интенсивны на границах между гидродинамическими потоками, имеющими разную скорость. Конвективные движения выносят вверх окрашивающее вещество, присутствием которого объясняется слегка красноватый цвет Юпитера. В области темных полос конвективные движения наиболее сильны, и это объясняет их более интенсивную окраску. Так же как и в земной атмосфере, на Юпитере могут формироваться циклоны. Оценки показывают, что крупные циклоны, если они образуются в атмосфере Юпитера, могут быть очень устойчивы (время жизни до 105 лет). Вероятно, Большое Красное пятно является примером такого циклона. �зображения Юпитера, полученные при помощи аппаратуры, установленной на американских космических аппаратах "Пионер-10" и "Пионер-11" (см. ниже), показали, что Большое Красное пятно не является единственным образованием такого типа: имеется несколько устойчивых красных пятен меньшего размера. Спектроскопическими наблюдениями установлено присутствие в атмосфере Юпитера молекулярного водорода Н2 , гелия Не , метана СН4 , аммиака МН3 , этана С2Н6 , ацетилена С2Н2 и водяного пара Н2О. По-видимому, элементный состав атмосферы (и всей планеты в целом) не отличается от солнечного (около 90% водорода, 9% гелия, 1% более тяжелых элементов). Полное давление у верхней границы облачного слоя составляет около 1 атм. Облачный слой имеет сложную структуру. Верхний ярус состоит из кристалликов NН3 , ниже должны быть расположены облака из кристаллов льда и капелек воды. �нфракрасная яркостная температура Юпитера, измеренная в интервале 8-14 мк, равна в центре диска 128-130 °К. На рис. 180 показан температурный разрез Юпитера по диаметру. Видно, что температура Т, измеренная на краю, ниже, чем в центре диска. Это можно объяснить следующим образом. На краю диска луч зрения идет наклонно, и эффективный излучающий уровень (т.е. уровень, на котором достигается оптическая толщина t = 1) расположен в атмосфере на большей высоте, чем в центре диска. Если температура в атмосфере падает с увеличением высоты, то яркость и температура на краю будут несколько меньше. Слой аммиака толщиной в несколько

сантиметров (при нормальном давлении) уже практически непрозрачен для инфракрасного излучения в интервале 8-14 мк. Отсюда следует, что инфракрасная яркостная температура Юпитера относится к довольно высоким слоям его атмосферы. Распределение интенсивности в полосах СН4 показывает, что температура облаков значительно больше (160-170 °К). При температуре ниже 170 °К аммиак (если его количество соответствует спектроскопическим наблюдениям) должен конденсироваться; поэтому предполагается, что облачный покров Юпитера, по крайней мере частично, состоит из аммиака. Метан конденсируется при более низких температурах и в образовании облаков на Юпитере участвовать не может. Яркостная температура 130 °К заметно выше, чем равновесная, т.е. такая, которую должно иметь тело, светящееся только за счет переизлучения солнечной радиации. Расчеты, учитывающие измерение отражательной способности планеты, приводят к равновесной температуре около 100 °К. Существенно, что величина яркостной температуры около 130 °К была получена не только в узком диапазоне 8-14 мк, но и далеко за его пределами. Таким образом, полное излучение Юпитера в раз превосходит энергию, получаемую от Солнца, и большая часть излучаемой им энергии обусловлена внутренним источником тепла. В этом смысле Юпитер ближе к звездам, чем к планетам земного типа. Однако источником внутренней энергии Юпитера не являются, конечно, ядерные реакции. По-видимому, излучается запас энергии, накопленной при гравитационном сжатии планеты (в процессе формирования планеты из протопланетной туманности гравитационная энергия пыли и газа, образующих планету, должна была переходить в кинетическую и затем в тепловую энергию). Наличие большого потока внутреннего тепла означает, что температура довольно быстро растет с глубиной. Согласно наиболее вероятным теоретическим моделям она достигает 400 °К на глубине 100 км ниже уровня верхней границы облаков, а на глубине 500 км - около 1200 °К. Расчеты внутреннего строения показывают, что атмосфера Юпитера является очень глубокой ("104 км), а основная масса планеты (ниже этой границы) находится в жидкой фазе. Водород при этом находится в вырожденном или, что то же самое, в металлическом состоянии (электроны оторваны от протонов). В толще атмосферы водород и гелий, строго говоря, находятся не в газообразном, а в сверхкритическом состоянии: плотность в нижних слоях атмосферы достигает 0,6-0,7 г/см3 и свойства вещества скорее напоминают жидкость, чем газ. В самом центре планеты, возможно, существует твердое ядро из тяжелых элементов. Юпитер является одним из самых сильных космических источников радиоизлучения в декаметровом диапазоне (l > 10 м). Оно имеет спорадический характер, т.е. состоит из отдельных всплесков разной интенсивности. В появлении кратковременных радиовсплесков наблюдается определенная периодичность. Период вращения, вычисленный из наблюдений спорадического радиоизлучения, равен 9h 55m 29s,4. Он близок к периоду системы II, но отличается от него вполне заметно. Для анализа радионаблюдений в связи с этим была предложена система долгот III, соответствующая периодичности спорадического радиоизлучения. На рис. 181 показано распределение числа случаев наблюдения спорадического радиоизлучения Юпитера по долготе в системе III на различных частотах. Можно выделить по крайней мере два мощных источника декаметрового радиоизлучения, один из которых находится на долготах 100-150°, а другой - на 190-250°. Оба источника являются, по-видимому, направленными, причем ширина конуса излучения составляет несколько десятков градусов. Спорадическое

радиоизлучение Юпитера не наблюдается на частотах выше 35 Мгц (l = 9 м), а на частоте 27 Мгц уже имеет большую интенсивность. Природа спорадического радиоизлучения Юпитера остается пока не раскрытой. Высказывалось предположение, что источником его могут служить мощные грозовые разряды, однако спектр радиоизлучения земных грозовых разрядов не обрывается резко со стороны высоких частот.