Предсказания будущего планеты Земля онлайн

ПЛАНЕТЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

 

Внутреннее строение. Объекты Солнечной системы с точки зрения их внутреннего строения можно разделить на 4 категории: 1) кометы, 2) малые тела, 3) планеты земного типа, 4) газовые гиганты. Кометы – простые ледяные тела с особым составом и историей. К категории малых тел относят все прочие небесные объекты с радиусами менее 200 км: межпланетные пылинки, частицы планетных колец, малые спутники и большинство астероидов. За время эволюции Солнечной системы все они потеряли тепло, выделившееся в ходе первичной аккреции, и остыли, не имея достаточного размера, чтобы нагреться из-за происходящего в них радиоактивного распада. Планеты земного типа весьма разнообразны: от «железного» Меркурия до загадочной ледяной системы Плутон – Харон. К категории газовых гигантов помимо крупнейших планет по формальным признакам иногда относят и Солнце.

 

Важнейшим параметром, определяющим состав планеты, служит средняя плотность (полная масса, деленная на полный объем). Ее значение сразу указывает, какова планета – «каменная» (силикаты, металлы), «ледяная» (вода, аммиак, метан) или «газовая» (водород, гелий). Хотя поверхности Меркурия и Луны поразительно похожи, их внутренний состав совершенно различен, поскольку средняя плотность Меркурия в 1,6 раза выше, чем у Луны. При этом масса Меркурия невелика, а значит, его высокая плотность в основном обязана не сжатию вещества под действием силы тяжести, а особому химическому составу: Меркурий содержит по массе 60–70% металлов и 30–40% силикатов. Содержание металлов на единицу массы у Меркурия значительно выше, чем у любой другой планеты.

 

Венера вращается настолько медленно, что ее экваториальное вздутие измеряется лишь долями метра (у Земли – 21 км) и совершенно не может сообщить что-либо о внутренней структуре планеты. Ее гравитационное поле коррелирует с топографией поверхности, в отличие от Земли, где континенты «плавают». Возможно, континенты Венеры фиксируются жесткостью мантии, но не исключено, что рельеф Венеры динамически поддерживается энергичной конвекцией в ее мантии.

 

Поверхность Земли существенно моложе поверхностей других тел Солнечной системы. Причиной этого в основном служит интенсивная переработка вещества коры в результате тектоники плит. Заметно влияет и эрозия под действием жидкой воды. На поверхностях большинства планет и спутников доминируют кольцевые структуры, связанные с ударными кратерами или вулканами; на Земле тектоника плит привела к тому, что ее крупнейшие возвышенности и низменности носят линейный характер. Примером служат горные хребты, вырастающие в местах столкновения двух плит; океанические желоба, отмечающие места, где одна плита уходит под другую (зоны субдукции); а также срединно-океанические хребты в тех местах, где две плиты расходятся под действием всплывающей из мантии молодой коры (зоны спрединга). Таким образом, рельеф земной поверхности отражает динамику ее недр.

 

Небольшие образцы верхней мантии Земли становятся доступны для лабораторного изучения, когда они поднимаются к поверхности в составе магматических пород. Известны ультраосновные включения (ультрабазиты, бедные силикатами и богатые Mg и Fe), содержащие минералы, которые формируются только при высоком давлении (например, алмаз), а также парные минералы, способные сосуществовать только в том случае, если они сформировались при высоком давлении. Эти включения позволили с достаточной точностью оценить состав верхней мантии до глубины ок. 200 км. Минералогический состав глубинной мантии известен не так хорошо, поскольку пока нет точных данных о распределении температуры с глубиной и не воспроизведены в лаборатории основные фазы глубинных минералов. Ядро Земли подразделяют на внешнее и внутренее. Внешнее ядро не пропускает поперечные сейсмические волны, следовательно, оно жидкое. Однако на глубине 5200 км вещество ядра вновь начинает проводить поперечные волны, но с низкой скоростью; это означает, что внутреннее ядро частично «заморожено». Плотность ядра ниже, чем была бы у чистой железо-никелевой жидкости, вероятно, из-за примеси серы.

 

Четверть марсианской поверхности занимает возвышенность Фарсида, поднявшаяся на 7 км относительно среднего радиуса планеты. Именно на ней расположено большинство вулканов, при формировании которых лава растекалась на большое расстояние, что характерно для расплавленных пород, богатых железом. Одна из причин огромного размера марсианских вулканов (крупнейших в Солнечной системе) состоит в том, что, в отличие от Земли, у Марса нет плит, движущихся относительно горячих очагов в мантии, поэтому вулканы долго растут на одном месте. У Марса нет магнитного поля и не обнаружена сейсмическая активность. В его грунте оказалось много окислов железа, что указывает на слабую дифференциацию недр.

 

Внутреннее тепло. Многие планеты излучают больше тепла, чем получают от Солнца. Количество тепла, выработанное и сохранившееся в недрах планеты, зависит от ее истории. Для формирующейся планеты главным источником тепла служит метеоритная бомбардировка; затем тепло выделяется в ходе дифференциации недр, когда наиболее плотные компоненты, такие, как железо и никель, оседают к центру и формируют ядро. Юпитер, Сатурн и Нептун (но, по некоторым причинам, – не Уран) все еще излучают тепло, запасенное ими в период формирования 4,6 млрд. лет назад. У планет земного типа важным источником нагрева в нынешнюю эпоху служит распад радиоактивных элементов – урана, тория и калия, – входивших в небольшом количестве в исходный хондритный (солнечный) состав. Рассеяние энергии движения в приливных деформациях – так называемая «приливная диссипация» – служит главным источником нагрева Ио и играет заметную роль в эволюции некоторых планет, вращение которых (например, Меркурия) замедлили приливы.

 

Конвекция в мантии. Если подогревать жидкость достаточно сильно, в ней развивается конвекция, поскольку теплопроводность и излучение не справляются с подводимым локально потоком тепла. Может показаться странным утверждение, что недра планет земного типа охвачены конвекцией, как жидкость. Разве мы не знаем, что по данным сейсмологии в земной мантии распространяются поперечные волны и, следовательно, мантия состоит не из жидкости, а из твердых пород? Но возьмем обычную стекольную замазку: при медленном нажиме она ведет себя как вязкая жидкость, при резком нажиме – как эластичное тело, а при ударе – как камень. Значит, чтобы понять, как ведет себя вещество, мы должны принимать во внимание, в какой шкале времени происходят процессы. Поперечные сейсмические волны проходят сквозь земные недра за минуты. В геологической шкале времени, измеряемой миллионами лет, породы деформируются пластически, если к ним постоянно приложено значительное напряжение.

 

Поразительно, что земная кора все еще выпрямляется, возвращаясь к прежней форме, которую она имела до последнего оледенения, закончившегося 10 000 лет назад. Изучив возраст поднявшихся берегов Скандинавии, Н.Хаскель вычислил в 1935, что вязкость земной мантии в 1023 раз больше вязкости жидкой воды. Но и при этом математический анализ показывает, что земная мантия находится в состоянии интенсивной конвекции (такое движение земных недр можно было бы увидеть в ускоренном кинофильме, где за секунду проходит миллион лет). Аналогичные вычисления показывают, что конвективными мантиями, вероятно, обладают также Венера, Марс и, в меньшей степени, Меркурий и Луна.

 

Природу конвекции в газовых планетах-гигантах мы только начинаем разгадывать. Известно, что на конвективные движения сильно влияет быстрое вращение, которое существует у планет-гигантов, но экспериментально изучить конвекцию во вращающейся сфере с центральным притяжением очень нелегко. До сих пор наиболее точные эксперименты такого рода проводили в условиях микрогравитации на околоземной орбите. Эти опыты вместе с теоретическими расчетами и численными моделями показали, что конвекция происходит в трубках, вытянутых вдоль оси вращения планеты и изогнутых в соответствии с ее сферичностью. Такие конвективные ячейки за их форму прозвали «бананами».

 

Давление у газовых планет-гигантов изменяется от 1 бар на уровне верхушек облаков до примерно 50 Мбар в центре. Поэтому их основной компонент – водород – пребывает на разных уровнях в разных фазах. При давлении выше 3 Мбар обычный молекулярный водород становится жидким металлом, подобным литию. Вычисления показывают, что Юпитер в основном состоит из металлического водорода. А Уран и Нептун, по-видимому, имеют протяженную мантию из жидкой воды, также являющейся неплохим проводником.

 

Магнитное поле. Внешнее магнитное поле планеты несет важную информацию о движении ее недр. Именно магнитное поле задает систему отсчета, в которой измеряют скорость ветра в облачной атмосфере планеты-гиганта; именно оно указывает, что в жидком металлическом ядре Земли существуют мощные потоки, а в водяных мантиях Урана и Нептуна происходит активное перемешивание. Напротив, отсутствие сильного магнитного поля у Венеры и Марса накладывает ограничения на их внутреннюю динамику. Среди планет земной группы магнитное поле Земли имеет выдающуюся интенсивность, указывая на активный динамо-эффект. Отсутствие сильного магнитного поля у Венеры не означает, что ее ядро затвердело: скорее всего, медленное вращение планеты препятствует динамо-эффекту.

 

Уран и Нептун имеют одинаковые магнитные диполи с большим наклоном к осям планет и смещением относительно их центров; это указывает, что их магнетизм рождается в мантиях, а не в ядрах. Собственные магнитные поля имеют спутники Юпитера – Ио, Европа и Ганимед, а у Каллисто его нет. Остаточный магнетизм обнаружен у Луны.

 

Атмосфера. Атмосферу имеют Солнце, восемь из девяти планет и три из шестидесяти трех спутников. Каждая атмосфера имеет свой особый химический состав и тип поведения, называемый «погодой». Атмосферы делят на две группы: у планет земного типа плотная поверхность материков или океана определяет условия на нижней границе атмосферы, а у газовых гигантов атмосфера практически бездонная.

 

У планет земного типа тонкий (0,1 км) слой атмосферы вблизи поверхности постоянно испытывает от нее нагрев или охлаждение, а при движении – трение и турбулентность (из-за неровностей рельефа); этот слой называют приземным или пограничным. У самой поверхности молекулярная вязкость как бы «приклеивает» атмосферу к земле, поэтому даже легкий ветерок создает сильный вертикальный градиент скорости, который может вызывать турбулентность. Изменение температуры воздуха с высотой контролируется конвективной неустойчивостью, поскольку снизу воздух нагревается от теплой поверхности, становится легче и всплывает; поднимаясь в области низкого давления, он расширяется и излучает тепло в космос, отчего охлаждается, становится плотнее и тонет. В результате конвекции в нижних слоях атмосферы устанавливается адиабатический вертикальный градиент температуры: например, в атмосфере Земли температура воздуха уменьшается с высотой на 6,5 К/км. Такая ситуация существует вплоть до тропопаузы (греч. «тропо» – поворот, «паузис» – прекращение), ограничивающей нижний слой атмосферы, называемый тропосферой. Именно здесь происходят те изменения, которые мы называем погодой. У Земли тропопауза проходит на высотах 8–18 км; у экватора она на 10 км выше, чем у полюсов. По причине экспоненциального уменьшения плотности с высотой 80% массы атмосферы Земли заключено в тропосфере. В ней же находится почти весь водяной пар, а значит, и облака, создающие погоду.

 

На Венере двуокись углерода и водяной пар вместе с серной кислотой и двуокисью серы поглощают почти все инфракрасное излучение, испускаемое поверхностью. Это вызывает сильный парниковый эффект, т.е. приводит к тому, что температура поверхности Венеры на 500 К выше той, которую она имела бы при прозрачной для инфракрасного излучения атмосфере. Главными «парниковыми» газами на Земле служат водяной пар и двуокись углерода, повышающие температуру на 30 К. На Марсе двуокись углерода и атмосферная пыль вызывают слабый парниковый эффект всего в 5 К. Горячая поверхность Венеры препятствует выходу серы из состава атмосферы путем ее связывания в поверхностных породах. Двуокисью серы обогащена нижняя атмосфера Венеры, поэтому в ней на высотах от 50 до 80 км присутствует плотный слой сернокислотных облаков. Незначительное количество серосодержащих веществ обнаруживается и в земной атмосфере, в особенности после мощных вулканических извержений. В атмосфере Марса сера не зарегистрирована, следовательно, его вулканы в нынешнюю эпоху неактивны.

 

На Земле стабильное понижение температуры с высотой в тропосфере cменяется выше тропопаузы на рост температуры с высотой. Поэтому там существует чрезвычайно устойчивый слой, названный стратосферой (лат. stratum – слой, настил). Существование постоянных тонких аэрозольных слоев и длительное пребывание там радиоактивных элементов от ядерных взрывов служат прямым доказательством отсутствия перемешивания в стратосфере. В земной стратосфере температура продолжает расти с высотой вплоть до стратопаузы, проходящей на высоте ок. 50 км. Источником тепла в стратосфере служат фотохимические реакции озона, концентрация которого максимальна на высоте ок. 25 км. Озон поглощает ультрафиолетовое излучение, поэтому ниже 75 км почти все оно преобразуется в тепло. Химия стратосферы сложна. Озон в основном образуется над экваториальными областями, но его наибольшая концентрация обнаруживается над полюсами; это указывает, что на содержание озона влияет не только химия, но и динамика атмосферы. У Марса концентрация озона также выше над полюсами, в особенности над зимним полюсом. В сухой атмосфере Марса относительно мало гидроксильных радикалов (OH), разрушающих озон.

Температурные профили атмосфер планет-гигантов определены по наземным наблюдениям покрытий планетами звезд и по данным зондов, в частности, по ослаблению радиосигналов при заходе зонда за планету. У каждой из планет обнаружились тропопауза и стратосфера, выше которых лежат термосфера, экзосфера и ионосфера. Температура термосфер Юпитера, Сатурна и Урана соответственно составляет ок. 1000, 420 и 800 К. Высокая температура и относительно низкая сила тяжести на Уране позволяют атмосфере простираться до колец. Это вызывает торможение и быстрое падение пылевых частиц. Поскольку в кольцах Урана все же наблюдаются пылевые полосы, там должен быть источник пыли.

 

Хотя температурная структура тропосферы и стратосферы в атмосферах разных планет имеет много общего, их химический состав сильно различается. Атмосферы Венеры и Марса в основном состоят из углекислого газа, но представляют два крайних примера эволюции атмосферы: у Венеры атмосфера плотная и горячая, а у Марса – холодная и разреженная. Важно понять, придет ли в конце-концов земная атмосфера к одному из этих двух типов, и всегда ли эти три атмосферы были такими разными.

 

Судьбу исходной воды на планете можно выяснить, измеряя содержание дейтерия по отношению к легкому изотопу водорода: отношение D/H налагает ограничение на количество водорода, покидающего планету. Масса воды в атмосфере Венеры сейчас составляет 10–5 от массы земных океанов. Но отношение D/H у Венеры раз в 100 выше, чем на Земле. Если вначале это отношение было на Земле и Венере одинаковым и запасы воды на Венере за время ее эволюции не пополнялись, то стократный рост отношения D/H на Венере означает, что когда-то на ней было раз в сто больше воды, чем сейчас. Объяснение этому обычно ищут в рамках теории «парникового улетучивания», которая утверждает, что Венера никогда не была достаточно холодной для конденсации воды на ее поверхности. Если вода всегда заполняла атмосферу в виде пара, то фотодиссоциация молекул воды приводила к выделению водорода, легкий изотоп которого улетучивался из атмосферы в космос, а оставшаяся вода обогащалась дейтерием.

 

Большой интерес вызывает сильное различие атмосфер Земли и Венеры. Считается, что современные атмосферы планет земного типа образовались в результате дегазации недр; при этом в основном выделялись пары воды и углекислый газ. На Земле вода сосредоточилась в океане, а двуокись углерода оказалась связанной в осадочных породах. Но Венера ближе к Солнцу, там жарко и нет жизни; поэтому углекислый газ остался в атмосфере. Пары воды под действием солнечного света диссоциировали на водород и кислород; водород улетучился в космос (земная атмосфера тоже быстро теряет водород), а кислород оказался связанным в горных породах. Правда, различие этих двух атмосфер может оказаться и более глубоким: до сих пор нет объяснения тому факту, что в атмосфере Венеры значительно больше аргона, чем в атмосфере Земли.

 

Поверхность Марса представляет сейчас холодную и сухую пустыню. В самое теплое время суток температура может слегка превышать нормальную точку замерзания воды, но низкое атмосферное давление не позволяет воде на поверхности Марса быть в жидком состоянии: лед сразу превращается в пар. Тем не менее, на Марсе есть несколько каньонов, напоминающих русла высохших рек. Некоторые из них, по-видимому, прорыты кратковременными, но катастрофически мощными потоками воды, тогда как другие демонстрируют глубокие овраги и разветвленную сеть долин, что указывает на вероятное длительное существование равнинных рек в ранние периоды истории Марса. Имеются также морфологические указания, что старые кратеры Марса разрушены эрозией значительно сильнее, чем молодые, а это возможно лишь в случае, если атмосфера Марса была гораздо плотнее, чем сейчас.

 

В начале 1960-х годов считалось, что полярные шапки Марса состоят из водяного льда. Но в 1966 Р.Лейтон и Б.Мюррей рассмотрели тепловой баланс планеты и показали, что двуокись углерода должна в большом количестве конденсироваться на полюсах, а между полярными шапками и атмосферой должен поддерживаться баланс твердой и газообразной углекислоты. Любопытно, что сезонный рост и сокращение полярных шапок приводят к колебаниям давления в марсианской атмосфере на 20% (к примеру, в салонах старых реактивных лайнеров перепады давления при взлете и посадке также составляли около 20%). На космических фотографиях полярных шапок Марса видны удивительные спиральные узоры и ступенчатые террасы, которые должен был исследовать зонд «Марс полар лэндер» (1999), но его постигла неудача при посадке.

 

Точно не известно, почему давление марсианской атмосферы так сильно понизилось, вероятно, от нескольких бар в первый миллиард лет до 7 мбар сейчас. Не исключено, что выветривание поверхностных пород извлекло двуокись углерода из атмосферы, связав углерод в карбонатных породах, как это произошло на Земле. При температуре поверхности 273 К этот процесс мог уничтожить углекислотную атмосферу Марса с давлением в несколько бар всего за 50 млн. лет; очевидно, оказалось весьма трудно поддерживать теплый и влажный климат на Марсе в течение всей истории Солнечной системы. Подобный процесс также влияет на содержание углерода в земной атмосфере. Около 60 бар углерода связано сейчас в карбонатных породах Земли. Очевидно, в прошлом земная атмосфера содержала значительно больше углекислого газа, чем сейчас, и температура атмосферы была выше. Основное различие эволюции атмосферы Земли и Марса в том, что на Земле тектоника плит поддерживает круговорот углерода, тогда как на Марсе он «заперт» в породах и полярных шапках.

 

Околопланетные кольца. Любопытно, что системы колец есть у каждой из планет-гигантов, но нет ни у одной планеты земного типа. Те, кто впервые смотрит на Сатурн в телескоп, часто восклицают: «Ну, прямо как на картинке!», видя его изумительно яркие и четкие кольца. Однако кольца остальных планет почти не видны в телескоп. Бледное кольцо Юпитера испытывает загадочное взаимодействие с его магнитным полем. Уран и Нептун окружены несколькими тонкими кольцами каждый; структура этих колец отражает их резонансное взаимодействие с близкими спутниками. Особенно интригуют исследователей три кольцевые дуги Нептуна, поскольку они четко ограничены как в радиальном, так и в азимутальном направлениях.

 

Большой неожиданностью было открытие узких колец Урана во время наблюдения покрытия им звезды в 1977. Дело в том, что существует немало явлений, которые всего за несколько десятилетий могли бы заметно расширить узкие кольца: это взаимные столкновения частиц, эффект Пойнтинга – Робертсона (радиационное торможение) и плазменное торможение. С практической точки зрения узкие кольца, положение которых можно измерить с высокой точностью, оказались весьма удобным индикатором орбитального движения частиц. Прецессия колец Урана позволила выяснить распределение массы внутри планеты.

 

Те, кому приходилось вести автомобиль с запыленным ветровым стеклом в сторону восходящего или заходящего Солнца, знают, что пылинки сильно рассеивают свет в направлении его падения. Именно поэтому трудно обнаружить пыль в планетных кольцах, наблюдая их с Земли, т.е. со стороны Солнца. Но каждый раз, когда космический зонд пролетал мимо внешней планеты и «оглядывался» назад, мы получали изображения колец в проходящем свете. На таких изображениях Урана и Нептуна как раз и были открыты неизвестные до этого пылевые кольца, которые значительно шире давно известных узких колец.

 

Важнейшей темой современной астрофизики являются вращающиеся диски. Многие динамические теории, развитые для объяснения структуры галактик, можно использовать и для изучения планетных колец. Так, кольца Сатурна стали объектом для проверки теории самогравитирующих дисков. На свойство самогравитации этих колец указывает наличие в них как спиральных волн плотности, так и спиральных изгибных волн, которые видны на детальных изображениях. Волновой пакет, обнаруженный в кольцах Сатурна, был приписан сильному горизонтальному резонансу планеты со спутником Япетом, который возбуждает спиральные волны плотности во внешней части деления Кассини.

 

Высказывалось немало догадок о происхождении колец. Важно, что они лежат внутри зоны Роша, т.е. на таком расстоянии от планеты, где взаимное притяжение частиц меньше, чем разница сил притяжения их планетой. Внутри зоны Роша из рассеянных частиц не может сформироваться спутник планеты. Возможно, вещество колец осталось «невостребованным» с момента формирования самой планеты. Но, может быть, это следы недавней катастрофы – столкновения двух спутников или разрушения спутника приливными силами планеты. Если собрать все вещество колец Сатурна, то получится тело радиусом ок. 200 км. В кольцах остальных планет вещества значительно меньше.

Дизайнер интерфейсов, ИТ технологии, будущие профессии
Эксперт персонифицированной медицины, Медицина, будущие профессии
Родина Богов А.Скляров 1
Архитектор информационных систем, ИТ технологии, будущие профессии
Нострадамус О будущем
Всемирный Потоп и смещение полюсов.
Череда имен
Звездные воины над Волжским
Как вода превращается в лед?
Рождение климата
2007 Copyright © AstroSearch.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Интересные научные статьи. Предсказания, магия, эзотерика, астрология, астрономия, приворот, апокалипсис, гадание, значение, хиромантия, сонник, руны, гороскопы.
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования